ЭкспертНаука

О дивный новый наномир

Наталья Быкова

Нобелевские премии по физике и химии присудили за новые методы познания наномира. В физике они открыли возможность увидеть на сверхкоротких промежутках времени движение мельчайших частиц материи — электронов, а в химии — удивительные свойства квантовых точек. В числе лауреатов премии по химии — Алексей Екимов, ученый из России, проживающий в США.

Путешествие вглубь материи стало абсолютным трендом в естественных науках. В мире малых объектов оказалось не меньше удивительного, чем в космосе с его невероятными расстояниями, измеряемыми величинами с приставками «квадри-», «квинти-» и «сексти-». В нановселенной, которую населяют частицы размером в миллионные доли миллиметра и меньше, сегодня свершается даже больше великих открытий, чем в макромире. За последние десять лет 80% Нобелевских премий по естественным наукам были присуждены за исследования, связанные с манипуляциями наноразмерными объектами. 2023 год не стал исключением. Все три естественнонаучные премии достались ученым, которые работают с самыми крошечными фрагментами материи.

Продвижение во времени

Нобелевская премия по физике присуждена Пьеру Агостини из Университета штата Огайо (США), Ференцу Краусу из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Германия) и Анн Л’Юйе из Университета Лунда (Швеция) за исследования в области аттофизики, открывшие возможность заглянуть в мир электронов. Чтобы понять масштаб этого достижения, обратимся к цифрам.

Приставка «атто-» означает 10⁻¹⁸. Соответственно, аттосекунда (ac) — это очень короткое время, равное 1 квинтиллионной секунды (одной миллиардной от миллиардной доли секунды). Если обычную секунду сократить до аттосекунды, то время существования всей Вселенной (по современным данным — примерно 13,8 млрд лет) легко уложится в 0,45 секунды. Покорение учеными этого диапазона стало очередным шагом на пути продвижения вглубь шкалы времени, что позволяет изучать устройство мира в его самом мельчайшем приближении, где господствует непривычная и труднообъяснимая физика.

История аттонауки началась в конце 1980-х годов, когда Анн Л’Юйе с коллегами изучала ионизированный аргон. Исследователи воздействовали на газ инфракрасным лазерным излучением, а тот в ответ генерировал серию фотонов более высоких частот. Это означало, что испускаемые аргоном частицы несли более высокую энергию, чем частицы лазера. Они были словно обертонами излучения — повторяли те же ноты на более высоких октавах. Ученые вскоре объяснили физику того, как газ генерирует эти «высшие гармоники». Электрические поля волны лазера, попадая на атом, отрывают от него электрон, но, если волна имеет правильную частоту, ее быстро колеблющиеся поля тут же восстанавливают статус-кво, подталкивая электрон обратно к иону. Входящий электрон часто обладает большей энергией, и этот дополнительный заряд высвобождается в виде высокочастотных фотонов.

Осознав, что эти более высокие частоты могут быть использованы для генерации чрезвычайно коротких импульсов, Анн Л’Юйе развернула программу по увеличению интенсивности высших гармоник. Пьер Агостини преуспел в их преобразовании в импульсы аттосекундного масштаба, а Ференц Краус создал лазерную технологию для проведения идеальных аттосекундных исследований и первым получил импульсы продолжительностью менее 1000 аттосекунд.

В последующие годы эти методы были использованы для проведения экспериментов на аттосекундных масштабах. С их помощью стало возможным измерить скорость фотоэлектрического эффекта, при котором свет вырывает электроны из атома; наблюдать за перестроением электронов сразу после ионизации молекул; увидеть, как движутся ядра молекул.

«По сути, это материаловедение с очень детальным разрешением процессов, которые происходят в веществе, — отмечает научный руководитель Национального центра физики и математики в Сарове академик Александр Сергеев. — Это передний край диагностики, когда мы одновременно можем смотреть процессы с очень детальным пространственным разрешением (это даже не нанотехнологии, а пикометры!) и аттосекундным временным разрешением. В результате нам откроется мир в совсем новом диапазоне».

В настоящее время лауреаты работают над внедрением методики в аттохимию: они планируют использовать сверхкороткие импульсы для управления образованием и разрывом химических связей способами, которые не происходили бы спонтанно. По словам Анн Л’Юйе, придет время, когда аттофизика принесет большую пользу медицине и полупроводниковой промышленности.

Размер большого значения

Номинация «химия» в этом году стала особенной для России. Российских химиков не награждали Нобелевскими премиями более 60 лет (последний раз награду получил в 1956 году советский академик Николай Семенов за исследования механизма химических реакций). Никто не ожидал сюрприза и в этом году, особенно если учитывать внешнеполитическую конъюнктуру. На пресс-конференции генеральный секретарь Шведской королевской академии наук Ханс Эллегрен даже был вынужден комментировать «неудобный российский сюжет», с достоинством ответив журналистам: «Мы просто следуем процедуре определения наиболее важных открытий. Мы выбираем наиболее важных участников этих открытий».

Итак, Нобелевскую премию по химии-2023 присудили нашему соотечественнику Алексею Екимову, проживающему сейчас в США, а также американцам Мунги Бавенди и Луиcу Брюсу за открытие и синтез квантовых точек. На слайдах, показанных комитетом в момент оглашения нобелиатов, сообщалось, что Алексей Екимов аффилирован с компанией Nanocrystals Technology Inc. (США), но это не совсем так. Из вышеназванного стартапа еще несколько лет назад ученый ушел на заслуженный отдых, а свои пионерские исследования по квантовым точкам проводил задолго до «американского периода» — в 1980-е годы, в Ленинграде, в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова (ГОИ). Более того, несмотря на отъезд за рубеж в 1990-е годы, когда поддержка науки в России свелась к минимуму, ученый сохранил российское гражданство и регулярно приезжает на родину продлевать свой заграничный паспорт.

Его научная карьера в Советском Союзе была потрясающей. После окончания Ленинградского государственного университета (физический факультет, кафедра молекулярной физики) он поступил в аспирантуру Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, где под руководством еще одного известного ученого, ныне директора департамента физики и центра нанотехнологий Политехнической школы в Париже Вячеслава Сафарова исследовал спиновые явления в полупроводниках. За эти работы, которые легли в основу его кандидатской диссертации, в возрасте 30 лет он и ряд его коллег из института получили Госпремию СССР. Он мог бы успешно развивать начатое многообещающее направление, но вскоре после защиты оставил его и стал искать собственный путь.

«Ленинградский Физтех тогда был перенасыщен активными, амбициозными молодыми людьми, и Алексею предложили перейти в ГОИ, — вспоминает в беседе с “Экспертом” Вячеслав Сафаров. — Там он начал изучать окрашенные стекла — материал с примесями полупроводников сульфида кадмия и селенида кадмия (из таких стекол, в частности, сделаны звезды Кремля). Как специалист по спектроскопии, которому нужно получить определенный цвет, он увидел, что агрегаты полупроводников образуют маленькие полусферы. Открытием было то, что цвет этих структур зависел от их размеров. Кристалл селенида кадмия довольно большого размера, например, был темно-красный, почти черный, а та же материя в форме маленькой точки — от красного, розового, желтого и вплоть до прозрачного».

Вскоре Екимов выяснил, что, задавая определенную температуру и время термообработки стекол, активированных полупроводниками сульфида кадмия, селенида кадмия или хлорида меди, можно получать в стеклянных матрицах кристаллы размерами от единиц до десятков нанометров и более. Исследования оптических и электрических свойств таких стекол подтвердили взаимосвязь между размерами этих кристаллов и спектроскопическими параметрами их поглощения. В этих экспериментах впервые было показано, что, не меняя состав материала, а только размер микрокристаллов (так эти структуры называли в 1980-е годы; сейчас их называют квантовыми точками), можно кардинально преобразовать физические свойства материи — оптические, электронные и др. По сути, было продемонстрировано первое наблюдение квантовых размерных эффектов в материале, рассчитанных еще в 1920-х годах известным любителем кошек Эрвином Шрёдингером и описанных в теории немецким физиком Гербертом Фрёлихом, а также советскими учеными Ильей Лифшицем, Арнольдом Косевичем и Владимиром Сандомирским.

В своем первом интервью корреспонденту сайта Нобелевской премии уже в статусе лауреата Алексей Екимов отметил, что открытие квантовых точек ни для него, ни для его коллег из ГОИ не было неожиданностью, поскольку базировалось на мощной теоретической базе. «Мы рассматривали это как экспериментальное подтверждение уже существующей теории. Нашей настольной книгой было многотомное руководство по физике, которое изучали все студенты. (Речь, видимо, идет об известном курсе теоретической физики Л. Ландау и Е. Лифшица. — “Эксперт”.) Я до сих пор помню ту картинку из учебника, где была изображена квантовая яма, и уровни электронов, которые можно было в ней найти».

Первая научная статья Алексея Екимова по экспериментам с микрокристаллами вышла в 1980 году в журнале «Физика и химия стекла», затем суммированные результаты были опубликованы в самом престижном советском журнале по физике — «Письмах в ЖЭТФ» («Журнал экспериментальной и теоретической физики»), все публикации которого Американское физическое общество переводило на английский язык.

«В этих статьях Алексей очень грамотно развил теорию формирования полупроводниковых микроструктур, опираясь на работы Ландау и Лифшица по образованию тумана. Проблема схожая: туман может быть густой, когда собираются крупные капли, и мелкокапельный. Советские теоретики подробно изучили, как они образуются, как один переходит в другой, как туман рассеивается. Екимов очень четко переложил это на наблюдения в стеклах. Помогал ему ученый из Физтеха Александр Эфрос», — рассказывает Вячеслав Сафаров.

Но зафиксировать микрокристаллы в стеклянной матрице оказалось недостаточно для того, чтобы открыть им дорогу к широкому практическому применению. Нужно было сделать эти структуры «свободными» для дальнейших манипуляций — для этого требовалось создать способ получения их в растворе. Это удалось сделать второму лауреату — химику из корпорации Bell Labs, американцу Луису Брюсу. Он изначально экспериментировал с жидкостями — коллоидными растворами сульфида кадмия в воде — и выяснил, что свежеприготовленные образцы отличаются от тех, что простояли в течение суток. В них содержались наночастицы меньшего радиуса; наблюдались также расхождения в спектре поглощения полупроводниковых кристаллов. В дальнейшем было показано, что спектры поглощения частиц могут меняться при изменении их размера. Это была уже почти готовая к внедрению технология — оставалось научиться получать монодисперсные растворы нанокристаллов и синтезировать эти объекты без дефектов.

Этот отрезок пути преодолел третий лауреат — ученик Брюса, американский ученый французского и тунисского происхождения, профессор Массачусетского технологического института Мунги Бавенди. Он усовершенствовал методику приготовления растворов — впрыскивал определенные химические ингредиенты в горячий растворитель, что приводило к немедленному образованию кристаллов одинакового размера — около 1 нм — и хорошего качества. При нагревании смеси наночастицы росли. Изменяя время нагрева, можно было в одном растворе получать монодисперсные частицы диаметром от 1 до 11,5 нм, в чистом виде и почти без дефектов. Благодаря подходу Бавенди выход квантовых точек повысился почти до 100%.

Сегодня синтезом квантовых точек занимаются десятки лабораторий и малых компаний. Идей применения этих объектов множество — от визуализации с их помощью опухолей при диагностике рака и повышения контрастности рентгеновских снимков до создания QLEDдисплеев, более мощных солнечных батарей, сверхнадежных штрихкодов и нанесения более ярких и долговечных рисунков на ткани. Рассматривают их и в качестве потенциального источника излучения для передачи информации в квантовых оптических компьютерах, и как основу недорогих оптических детекторов и сенсоров для автономного транспорта. Поддержанный «Роснано» российский стартап предлагал приспособить эти частицы для нанесения изображений на бумажные деньги, но так и не реализовал проект из-за возникших мелких технологических проблем.

Несмотря на очевидные перспективы, в повседневную жизнь квантовые точки проникают медленно. Пока их практическую ценность оценили только биологи, которые успешно используют эти объекты в исследованиях реакций с клетками и молекулами. По оценкам экспертов Nature, в ближайшие годы наиболее привлекательной для инвестиций в квантовые точки станет многомиллионная индустрия производства телевизионных дисплеев.

Научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) Александр Сергеев:

— История аттофизики очень тесно связана с созданием лазеров короткой длительности, это фемтосекундная оптика. Пять лет назад была дана Нобелевская премия за создание лазеров с очень высокой пиковой мощностью. И эта тематика тоже очень близка к той, о которой мы сейчас говорим. Мощные поля и короткие импульсы связаны друг с другом: для того чтобы получить мощное поле, мы должны генерировать очень короткие импульсы, и наоборот: мощное лазерное излучение позволяет нам двигаться дальше вглубь шкалы времени.

Фемтосекундный диапазон позволяет рассмотреть движение атома в молекуле. Аттосекундный диапазон дает возможность рассматривать движение электронов в атомах, а также в более сложных структурах.

Мы в России очень активно работаем в этих направлениях и прекрасно знакомы с уважаемыми коллегами, которые получили Нобелевскую премию. В Национальном центре физики и математики, который мы сейчас строим в Сарове, тематика сверхсильных оптических полей, в том числе аттосекундных импульсов, -— одна из основных.

Заместитель директора по научной работе Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, доктор физико-математических наук Александр Милёхин:

— Квантовые точки открыли возможность использовать один и тот же материал для

разных оптических приложений: поглощать и излучать свет разной длины волны. Если есть квантовые точки размером от единиц до десятков нанометров, то в некоторых случаях мы можем охватить весь видимый спектральный диапазон или диапазон от ультрафиолетового до инфракрасного. Это значит, что мы можем делать приборы в широком спектральном диапазоне, например всецветные дисплеи, имея только один материал, допустим селенид кадмия или сульфид кадмия.

Алексей Екимов впервые провел экспериментальное наблюдение спектров поглощения микрокристаллов и дал очень понятное качественное и количественное объяснение, которое до сих пор используется для описания электронных спектров в квантовых точках.

Двое других нобелиатов — Луи Брюс и Мунги Бавенди — разработали технологию создания нанокристаллов одного размера, ученые стремились получить монодисперсные массивы квантовых точек одинакового размера простым методом коллоидного синтеза. Метод дешевый, скоростной и позволяет получить качественные структуры, высокого кристаллического совершенства.

Область применения квантовых точек быстро расширяется, сейчас это может быть и сфера биомедицины, диагностики. Поскольку квантовые точки — это сверхмалые объекты, которые могут светиться в ответ на облучение светом определенной длины волны, то при некоторых условиях они позволят, к примеру, визуализировать опухоль или могут использоваться как диагностические маркеры.

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl