Գունավոր ապակիների ամենահին գտածոները մի քանի հազար տարվա պատմություն ունեն: Ապակեգործները միշտ փորձել են հասկանալ, թե ինչպես կարելի է ծիածանի բոլոր գույներով ապակի արտադրել: Այս նպատակով նրանք ապակի արտադրելիս ավելացրել են տարբեր մետաղներ՝ արծաթ, ոսկի, կադմիում, հետո փորձել տարբեր ջերմաստիճաններ՝ ի վերջո ստեղծելով ապակու գեղեցիկ երանգներ:

Գունավոր ապակիների այս նմուշների պատկերները The New York Times-ին  տրամադրել է Մեծ Բրիտանիայի Վիտրաժների թանգարանը /աղբյուրը/

19-րդ և 20-րդ դարերում, երբ ֆիզիկոսները սկսեցին ուսումնասիրել լույսի օպտիկական հատկությունները, ապակեգործների գիտելիքները նրանց պետք եկան: Ֆիզիկոսները փորձերի ժամանակ սկսեցին իրենք ապակիներ պատրաստել և հասկացան, որ միևնույն նյութից կարելի է ստանալ տարբեր գույներով ապակիներ:

Նանոաշխարհում արտասովոր երևույթներ են ի հայտ գալիս

1980-ականներին, երբ գիտնական Ալեքսեյ Եկիմովն աշխատում էր Ս. Ի. Վավիլովի անվան պետական ​​օպտիկական ինստիտուտում (ԽՍՀՄ), նրան սկսեց հետաքրքրել այն փաստը, որ միևնույն նյութից կարելի է գունային տարբեր երանգներով ապակիներ ստանալ, ինչը տարօրինակ էր թվում։ Իր հարցերի պատասխանները ստանալու համար նա մի փորձ իրականացրեց։

Եկիմովը որոշեց պատրաստել պղնձի քլորիդով ներկված ապակի։ Նա տաքացրեց հալած ապակին 500°C-ից մինչև 700°C ջերմաստիճանների միջակայքում: Երբ ապակին սառեց ու պնդացավ, Եկիմովն այն ենթարկեց ռենտգենային ճառագայթման և նկատեց, որ ապակու ներսում գոյացել են պղնձի քլորիդի մանր բյուրեղներ, իսկ սինթեզի պրոցեսն ազդել է այդ մասնիկների չափերի վրա: Ապակու որոշ նմուշներում դրանց չափերը հասնում էին ընդամենը երկու նանոմետրի, մյուսներում՝ մինչև 30 նանոմետրի (մեկ նանոմետրը մետրի մեկ միլիարդերորդ մասն է):

Ալեքսեյ Եկիմովը /աղբյուրը՝ AP Photo/Wilfredo Lee/

Պարզվեց, որ այս մասնիկների չափերն ազդում են այն բանի վրա, թե ինչպես է ապակին կլանում լույսը: Ամենամեծ մասնիկները կլանում են լույսն այնպես, ինչպես սովորաբար կլանում է պղնձի քլորիդը։ Բայց որքան փոքր են մասնիկները, այնքան ավելի շատ կապույտ լույս են դրանք կլանում: Եկիմովը հասկացավ, որ գործ ունի չափից կախված քվանտային երևույթի՝ չափային քվանտացման երևույթի հետ։ Հասկանանք, թե ինչ է սա։

Քվանտային տերմինը ծագում է լատիներեն quantus բառից, որը նշանակում է որքան։ Երբ նյութերի երկրաչափական չափերն այնքան են փոքրանում, որ դառնում են ատոմների և մոլեկուլների չափերի կարգի, դրանք սկսում են դրսևորել արտասովոր հատկություններ, որոնց անվանում են քվանտային երևույթներ․ օրինակ՝ միևնույն նյութը նանոմետրական չափերի դեպքում այլ կերպ է կլանում և առաքում լույսը։

Քվանտային կետն այնքան փոքր է գնդակից, որքան գնդակը՝ Երկիր մոլորակից /աղբյուրը՝  Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/

Այդպիսի նանոկառուցվածքների օրինակ են քվանտային կետերը, որոնցում չափային քվանտացման երևույթը դիտվում է լավագույնս։ Դրանց հաճախ անվանում են նաև արհեստական ատոմներ։ 

Այս տարի քիմիայի բնագավառում Նոբելյան մրցանակի արժանացան երեք գիտնականներ՝ Ալեքսեյ Եկիմովը, Լուի Բրյուսը և Մոունգի Բավենդին, որոնք նանոաշխարհը հետազոտող առաջամարտիկներից են։ Հենց նրանց շնորհիվ են առաջին անգամ ստեղծվել ու կատարելագործվել քվանտային կետերը։ Քվանտային կետերն այժմ ունեն բազում կիրառություններ՝ սկսած ֆիզիկայից ու քիմիայից մինչև բժշկություն:

Բացահայտում, որ մնաց երկաթե վարագույրի ետևում

Տասնամյակներ շարունակ նանոաշխարհում տեղի ունեցող քվանտային երևույթներն ուսումնասիրվում էին տեսական և փորձարարական եղանակներով։ Նոբելյան մրցանակի դափնեկիրներ են դարձել գիտության այս բնագավառում գործունեություն ծավալող տասնյակ գիտնականներ։ Մինչև քվանտային կետերի ստեղծումը արդեն հայտնի էին դրանց արտասովոր հատկությունները հավաստող հիմնավոր տեղեկություններ:

Եկիմովն առաջին գիտնականն էր, որին հաջողվեց ստանալ քվանտային կետեր։ Պարզապես մի խնդիր կար․ 1981-ին նա իր հայտնագործությունը հրապարակեց խորհրդային գիտական ամսագրերից մեկում, բայց դժվար թե դա հասանելի լիներ գիտնականներին, որոնք երկաթե վարագույրի մյուս կողմում էին։ 

Շատ հետաքրքիր է, որ 1983-ին մեկ այլ գիտնական, որին ծանոթ չէր Եկիմովի հայտնագործությունը, նույնպես կարողացավ վերջինիցս անկախ ստանալ քվանտային կետեր։ 

Խոսքը Լուի Բրյուսի մասին է, որն աշխատում էր ԱՄՆ-ում՝ Բելլի լաբորատորիայում՝ փորձելով կիրառել արևային էներգիան քիմիական ռեակցիաներում: Այդ նպատակով նա օգտագործում էր կադմիումի սուլֆիդի մասնիկներ, որոնք կարողանում են կլանել լույսը և այնուհետև օգտագործել դրա էներգիան՝ ռեակցիաներ առաջացնելու համար: Իր փորձերի ընթացքում Բրյուսը լուծույթում գտնվող մասնիկները հասցնում էր շատ փոքր չափերի, որպեսզի մեծ ազատ տարածք մնար քիմիական ռեակցիաների համար։

Լուի Բրյուսը /աղբյուրը՝ AP Photo/Eduardo Munoz Alvarez/

Այս փոքրիկ մասնիկների հետ աշխատանքի ընթացքում Բրյուսը մի տարօրինակ բան նկատեց. դրանց օպտիկական հատկությունները փոխվեցին այն բանից հետո, երբ նա որոշ ժամանակ թողեց դրանք լաբորատորիայի նստարանին: Բրյուսը մտածեց՝ պատճառը կարող էր լինել այն, որ նանոմասնիկները մեծացել էին։ Իր կասկածները հաստատելու համար Բրյուսը ստացավ կադմիումի սուլֆիդի մասնիկներ, որոնք ընդամենը 4,5 նանոմետր տրամագիծ ունեին: Այնուհետև նա համեմատեց այս նորաստեղծ մասնիկների օպտիկական հատկություններն ավելի մեծ մասնիկների հետ, որոնք ունեին մոտ 12,5 նանոմետր տրամագիծ: Նկատվեց նույն երևույթը, ինչ Եկիմովի փորձի ժամանակ․ որքան փոքր էին մասնիկները, այնքան նրանց կլանած լույսը մոտենում էր կապույտին։

Ո՞րն է գաղտնիքը

Իսկ ո՞րն է քվանտային կետերում այսպիսի երևույթի առաջացման պատճառը։ Բանն այն է, որ քվանտային կետերում էլեկտրոնները կարող են գտնվել միայն որոշակի էներգիայի արժեքով մակարդակներում կամ, այսպես կոչված, քվանտացված էներգիական վիճակներում, իսկ այդ մակարդակների միջև տիրույթներն էլեկտրոնների համար արգելված գոտիներ են, որտեղ նրանք չեն կարող գտնվել։

Որպեսզի էլեկտրոնները կարողանան անցնել մի մակարդակից մյուսը՝ շրջանցելով այդ արգելված գոտիները, պետք է ձեռք բերեն կամ կորցնեն ճիշտ այդ արգելված գոտիների լայնության չափով էներգիաներ։ Էլեկտրոնների զբաղեցրած մակարդակների միջև հեռավորությունը՝ արգելված գոտու լայնությունը, քվանտային կետի չափերից կախված, կարող է փոխվել. որքան քվանտային կետը մեծանում է, մակարդակների միջև հեռավորությունը նվազում է, և որքան  քվանտային կետը փոքրանում է, այդ հեռավորությունը, հակառակը, աճում է։ Քվանտային այս երևույթն էլ պայմանավորում է միևնույն նյութի՝ տարբեր չափերով նանոմասնիկներում տարբեր գունային երանգների առաջացումը։ Հասկանանք՝ ինչպես։

Այս նկարում երևում է, որ ինչքան մեծ է քվանտային կետը, այնքան փոքր է էլեկտրոնների զբաղեցրած մակարդակների միջև հեռավորությունը /աղբյուրը՝ Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/

Լույսի յուրաքանչյուր գույն ունի որոշակի ալիքի  երկարություն  (wavelength), հաճախություն և էներգիա: Ինչքան մեծ է ալիքի երկարությունը, այնքան փոքր են նրա հաճախությունը և էներգիան։ Օրինակ՝ կարմիր լույսն ալիքի ավելի մեծ երկարություն ունի, քան կապույտը։ Երբ լուսային ալիքն ընկնում է համեմատաբար մեծ չափերով նանոմասնիկի վրա, որի էներգիական մակարդակների միջև հեռավորությունը փոքր է, էլեկտրոնները մի մակարդակից մյուսն անցնելու համար կլանում կամ առաքում են ալիքի մեծ երկարությամբ լույս, պարզ ասած՝ լույսի գույնը ավելի մոտենում է կարմիրին։ Փոքր չափերով նանոմասնիկների դեպքում էներգիական մակարդակներն իրարից ավելի հեռու են, և հետևաբար՝ էլեկտրոնները կլանում կամ առաքում են ավելի փոքր ալիքի երկարությամբ լույս, որն արդեն մոտենում է կապույտ գույնին:  

Նույն երևույթը դուք կնկատեք, եթե համեմատեք մեծ ու փոքր չափեր ունեցող զանգերի ղողանջները․ եթե շարժեք մեծ զանգը, ապա այն կհնչի ցածր հաճախականությամբ (երկար ալիքներով), եթե շարժեք փոքր զանգը, ապա այն կհնչի բարձր հաճախականությամբ (կարճ ալիքներով)։

Գրեթե կատարյալ նանոբյուրեղներ

Ժամանակն է, որ խոսենք նաև այն մասին, թե որն է քվանտային կետերի ստեղծման պատմության մեջ Մոունգի Բավենդիի դերը։ Այս գիտնականը կարողացավ հեղափոխել քվանտային կետերի արտադրությունը։

Բավենդին 1988-ին իր հետդոկտորական աշխատանքը սկսեց Լուի Բրյուսի լաբորատորիայում, որտեղ ինտենսիվ աշխատում էին քվանտային կետերի ստեղծման մեթոդների կատարելագործման ուղղությամբ: Օգտագործելով տարբեր լուծիչներ, ջերմաստիճաններ և տեխնիկաներ՝ լաբորատորիայում փորձեր էին իրականացվում կատարյալ կառուցվածքով նանոբյուրեղներ ստանալու համար: Բայց նանոբյուրեղները դեռ բավականաչափ լավը չէին։ 

Մոունգի Բավենդին /աղբյուրը՝ Jodi Hilton/MIT/

Բավենդին, սակայն, չէր հանձնվում։ 1993-ին՝ Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտում աշխատելու տարիներին, նրա խմբին ի վերջո հաջողվեց ստանալ նանոբյուրեղներ, որոնք գրեթե կատարյալ էին, և որոնցում դիտվում էին հստակ քվանտային երևույթներ։

Քանի որ քվանտային կետերի ստացման տեխնոլոգիան հեշտ էր կիրառել արտադրական նպատակով, այն ունեցավ հեղափոխական նշանակություն. ավելի ու ավելի շատ գիտնականներ սկսեցին աշխատել նանոտեխնոլոգիաներով և ուսումնասիրել քվանտային կետերի եզակի հատկությունները:

Քիմիայի բանագավառում այս տարվա Նոբելյան մրցանակի իլյուստրացիան /աղբյուրը՝ Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences/

Քվանտային կետերն այժմ կիրառվում են QLED հեռուստացույցներ պատրաստելիս․ այս հեռուստացույցները քվանտային կետերի շնորհիվ ունեն բարձրորակ ու վառ էկրաններ։ Քվանտային կետերն օգտագործվում են նաև կենսաբժշկական պատկերներ ստանալիս: Հետազոտողներն այժմ ուսումնասիրում են դրանց կիրառություններն այլ ոլորտներում՝ էլեկտրոնիկա, սենսորներ, արևային վահանակներ և այլն։

Օգտագործված աղբյուրներ

The Nobel Prize in Chemistry 2023, Popular science background: They added colour to nanotechnology, nobelprize.org;

Nobel Prize Honors Inventors of ‘Quantum Dot’ Nanoparticles, quantamagazine.org;

What Is a Laser, spaceplace.nasa.gov;

What are Quantum Dots, NIBIB gov․

Գլխավոր լուսանկարում՝ Նոբելյան կոմիտեի բեմում ցուցադրված սրվակները, որոնցում դիտվում է չափային քվանտացման երևույթը /աղբյուրը՝ Jonathan Nackstrand/AFP via Getty/

Հեղինակ՝ Աննա Սահակյան
Նյութի պատրաստմանն աջակցել է Նանոգիտության և տեխնոլոգիաների նորարարական կենտրոնի տնօրեն Մկրտիչ Երանոսյանը։