Chemie-Nobelpreis für Entdecker der Quantenpunkte

Der Chemie-Nobelpreis 2023 geht an drei Forscher, die die Technologie der Quantenpunkte entwickelt haben – den Nanoteilchen, die in QLEDs, vielen Fernsehern und biomedizinischen Markern stecken. Alexei Ekimov, Louis Brus und Moungi Bawendi entdeckten als erste die optischen und elektronischen Eigenschaften winziger Nanopartikel in festen oder flüssigen Materialien und entwickelten die Methoden, um diese Nanopunkte gezielt und maßgeschneidert zu erzeugen.

Sie stecken in QLEDs, in vielen Fernsehern und werden in der Medizin als Markersubstanzen genutzt: Quantenpunkte sind heute wichtige Helfer in Elektronik und Medizin. Solche Quantenpunkte können aus einzelnen Elektronen, Atomen oder „Löchern“ positiver Ladung bestehen, außerdem lassen sie sich in Feststoffen wie Halbleiterkristallen oder in Flüssigkeiten erzeugen. Entscheidend für die meisten Quantenpunkt-Anwendungen ist ihre Fähigkeit, bei Anregung durch Strom oder Strahlung Photonen einer bestimmten Wellenlänge abzugeben.

Maßgeschneidertes Licht

Das Grundprinzip hinter den Quantenpunkten ist eine Bandlücke in den Energieniveaus ihrer Elektronen, ähnlich wie bei einem Halbleiter. Die Breite dieser Bandlücke hängt dabei von der Größe der Quantenpunkte ab. Licht emittieren die Quantenpunkte dann, wenn es nach einer Ladungstrennung durch Anregung wieder zu einer Rekombination von Elektronen und positiven „Löchern“, kommt. Dabei wird die zuvor aufgenommenen Energie in Form von Photonen frei – als Licht einer bestimmten Wellenlänge.

Weil die Wellenlänge dieses Lichts je nach Quantenpunkt spezifisch ist, sind die Farben solcher Quantenpunkte intensiver und schärfer abgegrenzt als beispielsweise bei klassischen LEDs. Auch andere Merkmale wie das Redox-Potential bei chemischen Reaktionen oder die Schmelztemperatur hängen bei diesen Nanopartikeln direkt von ihrer Größe ab.

Das Geheimnis farbiger Gläser

Der erste Schritt zur Entdeckung der Quantenpunkte gelang dem ersten Preisträger, Alexei Ekimov von Nanocrystals Technology in New York im Jahr 1979, als er – damals noch in der ehemaligen Sowjetunion – an farbigen Gläsern forschte. Sein Ziel war es, zu verstehen, auf welche Weise gezielte Verunreinigungen solcher Gläser mit Fremdpartikeln ihre Farben hervorbrachte und wie man das Wachstum solcher Partikel in der Glasschmelze gezielter beeinflussen kann.

Am Beispiel von Kupferchlorid-Nanokristallen im Glas entdeckten Ekimov und sein Team, dass sich das Spektrum des von diesem Glas absorbierten Lichts in Abhängigkeit von der Größe der Kristallpartikel veränderte: Je kleiner die Nanokristalle waren, desto stärker war die Lichtfarbe ins Blaue verschoben. Ekimov schrieb diesen Effekt bereits der Wechselwirkung von Elektronen und Löchern im Material zu und stellte eine Gleichung auf, die den Zusammenhang von Photonenenergie und Partikelgröße beschrieb. Damit waren die ersten kristallinen Halbleiter-Quantenpunkte entdeckt.

1983 folgte der nächste Schritt durch ein Team um Louis Brus von der Columbia University in New York. Ohne von Ekimovs Entdeckung zu wissen, forschten sie an kolloidalen Nanopartikeln. Bei Experimenten mit Cadmiumsulfid-Partikeln in Lösung entdeckten auch sie den Effekt der Partikelgröße auf das Spektrum der angeregten Teilchen und stellten ein entsprechendes Modell auf. Solche größenabhängigen Quanteneffekte sollten unterhalb einer Teilchengröße von fünf Nanometern auftreten und auch die photochemischen Redox-Potenziale beeinflussen.

Quantenpunkte nach Maß

Allerdings war die gezielte Herstellung solcher Quantenpunkt noch aufwendig und nur auf bestimmte Partikel beschränkt. Das änderte sich jedoch zehn Jahre später, im Jahr 1993 durch die Arbeit des dritten Preisträgers, Moungi Bawendi vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Er entwickelte mit seinem Team erstmals eine Methode, durch die Quantenpunkte mit definierter Größe und hoher optischer Qualität hergestellt werden konnten.

Für diese Synthese werden organometallische Verbindungen in ein heißes Lösungsmittel mit hoher Siedetemperatur injiziert. Dabei kommt es zu einer abrupten Übersättigung der Lösung und winzige Partikel beginnen auszukristallisieren. Durch schnelle Verringerung der Temperatur und Verdünnung lässt sich dieser Kristallisierungsprozess stoppen, aber auch weiterführen. „Die von Bawendi und seinem Team entwickelte Heiß-Injektionsmethode ebnete den Weg zur Anwendung der Quantenpunkte auch in großem Maßstab“, so das Nobelpreiskomitee.

Technologie mit großer Zukunft

Zusammen haben die drei Chemie-Nobelpreisträger damit eine Entwicklung ermöglicht, die schon jetzt ein wichtiger Bestandteil moderner Elektronik und Technologie ist. „Die Entdeckung der Quantenpunkte und die Fähigkeit, solche Materialien mit hoher Präzision, aber relativ einfachen chemischen Methoden herzustellen, war ein entscheidender Schritt in der Entwicklung der Nanoforschung und Nanotechnologie“, erklärt das Nobelpreis-Komitee.

Mit dem Aufkommen quantenphysikalischer Anwendungen wie Quantencomputern und der Quantenkommunikation könnte sie aber in Zukunft noch weit stärker an Bedeutung gewinnen.

Quelle: Nobelprize.org