A Nobel-díjjal jutalmazott felfedezés annak bizonyításáért és gyakorlati alkalmazásáért járt, hogy a kvantumpöttyöknek nevezett a nanoméretű részecskéknek méretfüggő kvantumhatásai lehetnek, vagyis egy adott anyag néhány nanométeres részecskéinek kémiai tulajdonságai eltérhetnek attól, amilyennek az illető anyagot nagyobb tömegben ismerjük.

Dr. Horváth Dezső egyetemi tanár, az SZTE Természettudományi és Informatikai Kar dékánja érdeklődésünkre elmondta, a kvantumpöttyök (vagy kvantumpontok) olyan 1-10 nanométeres részecskék, amelyekben kis méretük miatt az anyag tömbfázisához képest magas az aránya az anyag felszínén elhelyezkedő atomoknak. E felületen lévő atomok más kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint azok, amelyek az anyag belsejében vannak, és ezt a jelenséget a felszíni atomok kvantumos tulajdonságai okozzák.

A kémiai rendszerek dinamikáját kutató egyetemi tanár szerint a nanotechnológiáknak éppen az adott jelentőséget, hogy az anyagok tulajdonságait más méretben újra lehetett vizsgálni.

- Az új tulajdonságú anyagok keresésekor lényegében az történik, hogy a tömbfázisból már ismert anyagok nanoméretben mutatott tulajdonságait vizsgálják meg. Kémiai szempontból az anyagkutatás egész tárháza nyílik így ki, hiszen nemcsak arról van szó, hogy a kvantumpöttyök méretében az anyagok valamennyi kémiai tulajdonsága más lesz, hanem arról is, hogy e méretek egységes változtatásával szabályozhatók is a kémiai tulajdonságok – nyilatkozta Dr. Horváth Dezső.

A Nobel-bizottság indoklása szerint a méretfüggő kvantumhatásokat az elméleti számolások már korábban megjósolták, kísérletileg bizonyítani azonban az 1980-as évek elején Alekszej Jekimovnak sikerült az Egyesült Államokban. A kutató színes üvegen lévő réz-klorid nanorészecskéket vizsgált, és sikerült igazolnia, hogy az üveg színét kvantumhatásokon keresztül befolyásolta a részecskék mérete. Néhány évvel később Louis E. Brus lett az első kutató, aki e méretfüggő kvantumhatásokat folyadékban szabadon lebegő részecskéken mutatta ki. A harmadik Nobel-díjas kutató, Moungi Bawendi nevéhez fűződik a kvantumpöttyök mesterséges, kémiai előállításának technológiája, ami megnyitotta az utat az új tulajdonságú anyagok kutatása felé.

- A korábbi kolloidkémiai kutatásokból is tudtuk, hogy a részecskék méretétől függően változik a színe, például az aranyszolé. Azt is tudtuk, hogy a jégmadár vagy a páva tollán látható, úgynevezett szerkezeti színeket nem a toll színei adják, hanem a mikronos méretű architektúrákba rendeződött pikkelyek. A Nobel-díj azért járt, mert bebizonyították, hogy az anyagok ezt a tulajdonságot valójában a kvantumhatások miatt kapják. A részecske felületén lévő elektronnak a határok miatt nem lehet akármekkora hullámhossza, és mivel a méret által megszabott tulajdonságok szelektívek, az adott anyagot csak adott hullámhosszú fény fogja gerjeszteni. Így beigazolódott, hogy az anyag színét egy kvantumhatás révén lehet szabályozni a mérettel – ez új és fontos kutatási eredmény volt – nyilatkozta Dr. Horváth Dezső.

A hőmérséklettel egyszerre, egységesen alakítható nanostruktúrákat, vagyis a kvantumpöttyök növesztésének technológiáját bevett kutatási módszerként használják; többek között az SZTE TTIK Kémiai Intézet Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszékén Prof. Dr. Kónya Zoltán kutatócsoportja az új anyagok katalitikus tulajdonságainak vizsgálatára alkalmazza; a nanostruktúrákat hordozó felületeken ugyanis a szelektivitás növelésével jelentősen növelhető a katalitikus hatékonyság is. A Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszéken pedig Dr. Janáky Csaba kutatócsoportja a napelemcellák félvezető rétegében a hatékonyság és energiatárolás vizsgálatára használja a kvantumpötty technológiát.

Panek Sándor

A borítóképen: a 2023-as kémiai Nobel-díj kihirdetése.