04.10.2023

Auf den Punkt gebracht

Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Alexei I. Ekimov teilen sich den Chemie-Nobelpreis für die Entdeckung und Synthese von Quantenpunkten.

Kerstin Sonnabend

In der Chemie gilt eigentlich, dass die Anzahl der Elektronen für die Eigenschaften eines Elements verantwortlich ist. Das gilt aber nur für makroskopische Festkörper. Schrumpft die Materie zu immer kleineren Dimensionen, treten ab der Nanometerskala Quantenphänomene in den Vordergrund, die sich mit der Größe der Partikel verändern. Den Nobelpreis für Chemie 2023 erhalten Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Alexei I. Ekimov zu gleichen Teilen. Ihnen ist es gelungen, Quantenpunkte zu erzeugen, die zum Beispiel abhängig von ihrer Größe eine andere Farbe haben.

Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Alexei I. Ekimov (von links nach rechts)...
Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Alexei I. Ekimov (von links nach rechts) haben Quantenpunkte entdeckt und synthetisiert. Dafür teilen sie sich den Chemie-Nobelpreis 2023.
Quelle: Justin Knight 2015 / Columbia University / nexdot

Bereits 1937 hat der Physiker Herbert Fröhlich vorhergesagt, dass sich Nanopartikel nicht wie gewöhnliche Materie verhalten. Als Konsequenz der Schrödinger-Gleichung bleibt Elektronen in diesen sehr kleinen Stückchen von Materie nur wenig Platz, sodass größenabhängige Quanteneffekte auftreten sollten. Doch erst in den 1970er-Jahren gelang es, nanometerdünne Schichten auf einen Festkörper aufzubringen. Diese veränderten abhängig von der Schichtdicke ihre optischen Eigenschaften. Doch der Durchbruch gelang mit einem Umweg über gefärbte Gläser.

Je kleiner der Durchmesser der Nanoteilchen, desto geringer der Platz für die...
Je kleiner der Durchmesser der Nanoteilchen, desto geringer der Platz für die Elektronenwelle: Ein kleinerer Quantenpunkt absorbiert blaues Licht mit kürzerer Wellenlänge.
Quelle: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Alexei Ekimov machte sich das Wissen zunutze, dass manche Substanzen ein Glas dazu bringen, unterschiedliche Farben anzunehmen. Ende der 1970er-Jahre war bekannt, dass dies mit der Größe der Partikel zusammenhängt, welche die Substanzen im Glas abhängig vom Fertigungsprozess bilden. Ekimov experimentierte mit Kupferchlorid und erzeugte Partikel mit Durchmessern von zwei bis 30 Nanometern. Diese beeinflussten die Absorptionseigenschaften des Glases: je kleiner die Partikel, desto kürzere Wellenlängen absorbierten sie. Seine Ergebnisse publizierte Ekimov 1981 in einem sowjetischen Fachjournal; der Artikel lag später als Übersetzung beim American Institute of Physics vor.

Louis Brus entwickelte eine Methode, mit der er 1983 erstmals größenabhängige Quanteneffekte bei Nanopartikeln in Lösungen beobachtete. Er nutzte Cadmiumsulfid und erzeugte Teilchendurchmesser zwischen 4,5 und 12,5 Nanometern. Auch in diesem Fall absorbierten die kleineren Teilchen kürzere Wellenlängen. Allerdings gelang es Brus nicht, die Größe einzelner Teilchen durch den Herstellungsprozess zu kontrollieren: In der Lösung lag immer eine Mischung vor, die sich nur schwer nach der Größe sortieren ließ. 

Im ersten Produktionsschritt sättigt Moungi Bawendi die heiße Lösung mit...
Im ersten Produktionsschritt sättigt Moungi Bawendi die heiße Lösung mit Substanzen, die Cadmiumselenid bilden können. Sofort bilden sich kleinste Kristalle, bis die Temperatur in der Lösung unter einen bestimmten Wert fällt. Danach sorgt das gezielte Aufheizen für eine bestimmte Zeit dafür, dass die Kristalle bis zur gewünschten Größe anwachsen.
Quelle: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Es dauerte weitere zehn Jahre, bis Moungi Bawendi die Produktion revolutionierte und nahezu sortenreine Nanopartikel in der Lösung erstellte. Dazu injizierte er gerade so viel Material, dass eine gesättigte Lösung vorlag. Die dynamische Variation der Temperatur sorgte dann dafür, dass die Nanokristalle bis zu einer bestimmten Größe wuchsen. 

Dieser relativ einfach zu kontrollierende Prozess machte die Quantenpunkte für viele Forschende zugänglich und führte zu zahlreichen Anwendungen. Heute finden sie sich in Computermonitoren genauso wie in Fernsehbildschirmen, die auf der QLED-Technologie beruhen. Außerdem eignen sich Quantenpunkte, um biologische Gewebe zu untersuchen und zu markieren. In Zukunft könnten sie für flexible Elektronik, dünnere Solarzellen oder auch bei verschlüsselter Quantenkommunikation eine Rolle spielen. 

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