너무 작아서 원자처럼 행동하는 나노결정을 상상해 보세요. 모운기 G. 바웬디, 루이스 E. 브루스 및 알렉세이 I. 에키모프 현재 양자점으로 알려진 미세한 종류의 물질을 발견하고 이를 정밀하게 합성하는 방법을 개발한 공로로 2023년 노벨 화학상을 수상했습니다. 양자점은 이미 약물 전달, 영상, 의료 진단 등 전자공학과 생물의학 분야에서 중요한 역할을 하고 있으며 앞으로 더 유망한 응용 분야를 갖게 될 것이라고 노벨 화학 위원회가 수상 발표에서 밝혔습니다.

인공 원자라고도 불리는 양자점은 폭이 불과 몇 나노미터에 불과한 실리콘 및 기타 반도체 재료로 만들어진 정밀한 나노 결정입니다. 크기는 수십에서 수천 개의 원자이지만 개별 원자와 마찬가지로 양자 특성을 나타낼 만큼 작습니다. . 전자는 내부의 특정 에너지 수준에 갇힐 수 있기 때문에 나노결정은 특정 파장의 빛만 방출할 수 있습니다. 입자의 크기를 제어함으로써 연구자들은 자극을 받았을 때 양자점이 어떤 색으로 깜박일지 정확하게 프로그래밍할 수 있습니다.

오늘 아침 노벨상 발표 무대에서, 요한 아크비스트노벨 화학위원회 위원장인 그는 각기 다른 색으로 빛나는 액체가 들어 있는 다섯 개의 플라스크 시리즈를 전시했습니다. 유체에는 크기가 수백만 분의 XNUMX밀리미터에 불과한 양자점 액체 용액이 들어 있었습니다. 이 작은 크기에서 "양자 역학은 모든 종류의 트릭을 사용하기 시작합니다"라고 Åqvist는 말했습니다.

양자역학에서는 전자를 가져다가 작은 공간에 집어넣으면 전자의 파동함수가 압축된다고 예측한다. 하이너 링케, 노벨 화학위원회 위원이자 나노물리학 교수입니다. 공간을 작게 만들수록 전자의 에너지가 커지므로 광자에게 더 많은 에너지를 줄 수 있습니다. 본질적으로 양자점의 크기는 그것이 빛나는 색상을 결정합니다. 가장 작은 입자는 파란색으로 빛나고, 큰 입자는 노란색과 빨간색으로 빛납니다.

1970년대에 물리학자들은 양자 현상이 초박막의 경우와 마찬가지로 이론적으로 극히 작은 크기의 입자와 연관되어야 한다는 것을 알았지만 그 예측은 테스트하는 것이 불가능해 보였습니다. 그 속성을 가릴 다른 재료 내부. 그러나 1981년 소련의 SI Vavilov State Optical Institute에서 Ekimov는 이를 바꾸었습니다. 유리에 구리와 염소 화합물을 첨가하는 동안 그는 유리의 색상이 첨가된 입자의 크기에 전적으로 의존한다는 것을 발견했습니다. 그는 양자 효과가 가능한 설명이라는 것을 재빨리 인식했습니다.

1983년 Bell Labs에서 Brus는 빛을 사용하여 화학 반응을 일으키는 실험을 진행하고 있었습니다. Brus(현재 Columbia University)는 나노입자의 크기가 나노입자가 액체 용액에서 자유롭게 떠다니는 경우에도 광학적 특성에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. Linke는 “이것은 많은 관심을 불러일으켰습니다.”라고 말했습니다.

그러한 입자의 잠재적인 광전자공학적 유용성은 마크 리드 예일 대학교에서는 이를 양자점이라고 부릅니다. 그러나 다음 XNUMX년 동안 연구자들은 이러한 입자의 크기와 품질을 정확하게 제어하는 ​​데 어려움을 겪었습니다.

그러나 1993년에 Bawendi는 완벽한 나노입자를 만들기 위한 "독창적인 화학적 방법"을 발명했다고 Åqvist는 말했습니다. 그는 결정이 형성되는 정확한 순간을 제어할 수 있었고, 그런 다음 제어된 방식으로 추가 성장을 중단하고 다시 시작할 수 있었습니다. 그의 발견은 양자점을 다양한 응용 분야에서 널리 유용하게 만들었습니다.

이러한 나노입자의 응용 분야는 LED 디스플레이 및 태양 전지에서부터 생화학 및 의학 분야의 이미징에 이르기까지 다양합니다. "이러한 성과는 나노기술의 중요한 이정표를 나타냅니다"라고 Åqvist는 말했습니다.

양자점이란 무엇입니까?

인간이 만든 나노입자는 너무 작아서 그 특성이 양자역학에 의해 좌우됩니다. 이러한 특성에는 빛의 방출이 포함됩니다. 방출하는 빛의 파장은 입자의 크기에만 의존합니다. 더 큰 입자의 전자는 더 적은 에너지를 갖고 적색광을 방출하는 반면, 더 작은 입자의 전자는 더 많은 에너지를 갖고 청색광을 방출합니다.

연구자들은 양자점의 크기를 조절함으로써 양자점에서 어떤 색의 빛이 나올지 정확하게 결정할 수 있습니다. 이는 모든 독특한 색상에 대해 새로운 유형의 분자가 필요한 다른 종류의 형광 분자를 사용하는 것보다 큰 이점을 제공합니다.

이러한 제어 가능성의 장점은 퀀텀닷의 색상에만 국한되지 않습니다. 나노입자의 크기를 조정함으로써 연구자들은 전기적, 광학적, 자기적 효과뿐만 아니라 녹는점이나 화학 반응에 영향을 미치는 방식과 같은 물리적 특성도 조정할 수 있습니다.

Bawendi의 연구는 어떻게 양자점을 실용화시켰습니까?

1993년에 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Bawendi와 그의 팀은 이전에 가능했던 것보다 더 정확하고 더 높은 품질로 양자점을 생산하는 방법을 개발했습니다. 그들은 화학적 전구체를 매우 뜨거운 용매에 주입함으로써 나노결정을 순식간에 성장시키는 방법을 찾았습니다. 그런 다음 연구자들은 용매의 온도를 낮추어 결정의 성장을 즉시 중단시켜 극미량의 결정질 "씨앗"을 생성했습니다. 용액을 천천히 재가열함으로써 그들은 나노결정의 추가 성장을 조절할 수 있었습니다. 그들의 방법은 원하는 크기의 결정을 재현 가능하게 생산했으며 다양한 시스템에 적용할 수 있었습니다.

퀀텀닷은 어디에 사용되나요?

QLED TV로 프로그램을 시청해 본 적이 있다면 이러한 나노입자가 작동하는 것을 본 적이 있을 것입니다. 그러나 그들은 또한 생체의학 영상과 조명에도 사용되고 있습니다. 연구자들은 양자 컴퓨팅 및 통신, 유연한 전자 장치, 센서, 효율적인 태양 전지 및 태양 연료 촉매 작용에서 이러한 나노 입자의 추가 응용 분야를 계속 탐색하고 있습니다.