De Nobelprijs voor scheikunde van 2023 is niet de eerste Nobelprijs voor onderzoek op het gebied van nanotechnologie. Maar het is misschien wel de meest kleurrijke toepassing van de technologie die met deze onderscheiding wordt geassocieerd.

De prijs van dit jaar beloont Moungi Bawendi, Louis Brus en Alexei Ekimov voor de ontdekking en ontwikkeling van kwantumdots. Jarenlang waren deze nauwkeurig geconstrueerde deeltjes van nanometerformaat – slechts een paar honderdduizendsten van de breedte van een mensenhaar in diameter – de lievelingen van pitches en presentaties over nanotechnologie. Als onderzoeker en adviseur op het gebied van nanotechnologie heb ik ze zelfs zelf gebruikt in gesprekken met ontwikkelaars, beleidsmakers, belangengroepen en anderen over de beloften en gevaren van de technologie.

De oorsprong van de nanotechnologie dateert van vóór het werk van Bawendi, Brus en Ekimov over kwantumdots; de natuurkundige Richard Feynman speculeerde al in 1959 over wat mogelijk zou kunnen zijn door middel van nanotechnologie, en ingenieurs als Erik Drexler speculeerden over de mogelijkheden van atomair nauwkeurige productie in de toekomst. Jaren 80. Het drietal Nobelprijswinnaars van dit jaar maakte echter deel uit van de eerste golf van moderne nanotechnologie, waarbij onderzoekers doorbraken in de materiaalwetenschap in de praktijk begonnen te brengen.

Kwantumdots fluoresceren briljant:ze absorberen één kleur licht en zenden deze vrijwel onmiddellijk weer uit als een andere kleur. Een flesje met kwantumdots schijnt, wanneer het wordt verlicht met breedspectrumlicht, met een enkele levendige kleur. Wat ze echter bijzonder maakt, is dat hun kleur wordt bepaald door hoe groot of klein ze zijn. Maak ze klein en je krijgt een intens blauw. Maak ze groter, maar nog steeds op nanoschaal, en de kleur verandert naar rood.

Deze eigenschap heeft geleid tot veel pakkende afbeeldingen van rijen flesjes met kwantumdots van verschillende groottes, variërend van opvallend blauw aan de ene kant, via groen en oranje, tot levendig rood aan de andere kant. Deze demonstratie van de kracht van nanotechnologie is zo opvallend dat kwantumstippen begin jaren 2000 iconisch werden voor de vreemdheid en nieuwheid van nanotechnologie.

Maar kwantumdots zijn natuurlijk meer dan een visueel aantrekkelijke salontruc. Ze laten zien dat unieke, controleerbare en nuttige interacties tussen materie en licht kunnen worden bereikt door de fysieke vorm van materie te manipuleren – door de grootte, vorm en structuur van objecten of instanties te wijzigen – in plaats van te spelen met de chemische bindingen tussen atomen en moleculen. Dit onderscheid is belangrijk en vormt de kern van de moderne nanotechnologie.

Sla chemische bindingen over, vertrouw op de kwantumfysica

De golflengten van het licht dat een materiaal absorbeert, reflecteert of uitzendt, wordt meestal bepaald door de chemische bindingen die de samenstellende atomen aan elkaar binden. Speel met de chemie van een materiaal en het is mogelijk om deze bindingen te verfijnen, zodat ze je de gewenste kleuren geven. Sommige van de vroegste kleurstoffen begonnen bijvoorbeeld met een heldere substantie zoals analine, die door chemische reacties werd omgezet in de gewenste tint.

Het is een effectieve manier om met licht en kleur te werken, maar het leidt ook tot producten die na verloop van tijd vervagen naarmate de bindingen verslechteren. Vaak wordt er ook gebruik gemaakt van chemicaliën die schadelijk zijn voor mens en milieu.

Kwantumdots werken anders. In plaats van afhankelijk te zijn van chemische bindingen om de golflengten van het licht te bepalen dat ze absorberen en uitstralen, vertrouwen ze op zeer kleine clusters van halfgeleidende materialen. Het is de kwantumfysica van deze clusters die vervolgens bepaalt welke golflengten van licht worden uitgezonden – en dit hangt op zijn beurt af van hoe groot of klein de clusters zijn.

Dit vermogen om af te stemmen hoe een materiaal zich gedraagt ​​door simpelweg de grootte ervan te veranderen, is een gamechanger als het gaat om de intensiteit en kwaliteit van het licht dat kwantumdots kunnen produceren, evenals hun weerstand tegen verbleken of vervagen, hun nieuwe toepassingen en – indien ontwikkeld slim – hun giftigheid.

Natuurlijk zijn maar weinig materialen volledig niet-giftig, en kwantumdots vormen daarop geen uitzondering. Vroege kwantumdots waren bijvoorbeeld vaak gebaseerd op cadmiumselenide, waarvan de samenstellende materialen giftig zijn. De potentiële toxiciteit van kwantumdots moet echter worden afgewogen tegen de waarschijnlijkheid van vrijkomen en blootstelling en hoe deze zich verhouden tot alternatieven.

Sinds de begindagen is de quantum dot-technologie geëvolueerd op het gebied van veiligheid en bruikbaarheid en heeft ze zijn weg gevonden naar een toenemend aantal producten, van displays en verlichting tot sensoren, biomedische toepassingen en meer. In het proces is een deel van hun nieuwigheid misschien versleten. Het kan moeilijk zijn om je te herinneren hoeveel grote sprong voorwaarts de technologie is die wordt gebruikt om bijvoorbeeld de nieuwste generatie flitsende tv's te promoten.

En toch zijn kwantumdots een cruciaal onderdeel van een technologietransitie die een revolutie teweegbrengt in de manier waarop mensen met atomen en moleculen werken.

'Basiscodering' op atomair niveau

In mijn boek 'Films from the Future:the Technology and Morality of Sci-Fi Movies' schrijf ik over het concept van 'basiscodering'. Het idee is simpel:als mensen de meest basale code kunnen manipuleren die de wereld waarin we leven definieert, kunnen we beginnen deze opnieuw te ontwerpen en opnieuw te ontwerpen.

Dit concept is intuïtief als het gaat om computergebruik, waarbij programmeurs de "basiscode" van 1,s en 0's gebruiken, zij het via talen van een hoger niveau. Het is ook logisch in de biologie, waar wetenschappers steeds bedrevener worden in het lezen en schrijven van de basiscode van DNA en RNA – in dit geval met behulp van de chemische basen adenine, guanine, cytosine en thymine als hun codeertaal.

Dit vermogen om met basiscodes te werken strekt zich ook uit tot de materiële wereld. Hier bestaat de code uit atomen en moleculen en hoe deze zijn gerangschikt op manieren die tot nieuwe eigenschappen leiden.

Het werk van Bawendi, Brus en Ekimov over kwantumdots is een perfect voorbeeld van deze vorm van basiscodering van de materiële wereld. Door kleine clusters van bepaalde atomen nauwkeurig te vormen tot bolvormige ‘stippen’, konden ze nieuwe kwantumeigenschappen aanboren die anders ontoegankelijk zouden zijn. Door hun werk demonstreerden ze de transformerende kracht die voortkomt uit het coderen met atomen.

Ze hebben de weg vrijgemaakt voor steeds geavanceerdere basiscodering op nanoschaal, die nu leidt tot producten en toepassingen die zonder deze code niet mogelijk zouden zijn. En ze vormden een deel van de inspiratie voor een nanotechnologierevolutie die tot op de dag van vandaag voortduurt. Het opnieuw ontwerpen van de materiële wereld op deze nieuwe manieren gaat veel verder dan wat kan worden bereikt met meer conventionele technologieën.

Deze mogelijkheid werd vastgelegd in een rapport van de Amerikaanse National Science and Technology Council uit 1999 met de titel Nanotechnology:Shaping the World Atom by Atom. Ook al wordt er niet expliciet melding gemaakt van kwantumdots – een omissie waarvan ik zeker weet dat de auteurs zichzelf daar nu over aan het schoppen zijn – het geeft wel weer hoe transformerend het vermogen om materialen op atomaire schaal te ontwikkelen zou kunnen zijn.

Deze vorming van de wereld op atomair niveau is precies wat Bawendi, Brus en Ekimov met hun baanbrekende werk nastreefden. Ze behoorden tot de eerste ‘basiscodeurs’ van materialen, omdat ze atomair nauwkeurige techniek gebruikten om de kwantumfysica van kleine deeltjes te benutten – en de erkenning door het Nobelcomité van de betekenis hiervan is welverdiend.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.