I quantum dot hanno fatto vincere il Nobel per la Chimica 2023 a Bawendi, Brus ed Ekimov

Il Nobel per la Fisica assegnato nelle scorse ore "potrebbe" avere implicazioni per l'elettronica, ma quello della Chimica ce le ha già. L'Accademia Svedese delle Scienze ha insignito del Nobel per la Chimica 2023 gli scienziati Moungi G. Bawendi (MIT), Louis E. Brus (Columbia University) e Alexei I. Ekimov (Nanocrystals Technology Inc.) per la "scoperta e la sintesi dei quantum dot".

Qualcuno ne avrà già sentito parlare, si tratta di nanoparticelle (cristalli semiconduttori di dimensioni nanometriche), le cui proprietà sono determinate da effetti di dimensione quantistica. I punti quantici, quantum dot, sono così piccoli che la loro dimensione fisica determina gli stati quantomeccanici dei portatori di carica del materiale.

I punti quantici hanno la stessa struttura e composizione atomica dei materiali in massa (bulk), ma le loro proprietà possono essere ottimizzate utilizzando un unico parametro, la dimensione della particella.

La scoperta dei punti quantici e la capacità di sintetizzarli con elevata precisione con metodi chimici relativamente semplici, è stato un passo importante nello sviluppo della nanoscienza e nanotecnologie. Il principio fondamentale della nanoscienza è che, su scala nanometrica, i materiali e le particelle acquisiscono nuove proprietà legate alle dimensioni che possono essere sfruttate e controllate per nuove applicazioni.

Oggi è possibile produrre punti quantici relativamente a basso costo, aspetto che li rende ampiamente disponibili.

Con una dimensione totale del mercato stimata di 4 miliardi di dollari nel 2021, i quantum dot sono utilizzati come emettitori di luce di alta qualità nell'illuminazione e nella tecnologia dei display, oltre che per l'imaging biomedico. La ricerca in corso sulle nanotecnologie sta esplorando anche le applicazioni dei punti quantici nel fotorilevamento a infrarossi, conversione dell'energia solare, diodi emettitori di luce, diagnostica e fotocatalisi.

"I punti quantici hanno molte proprietà affascinanti e insolite. È importante sottolineare che hanno colori diversi a seconda delle loro dimensioni", ha affermato Johan Åqvist, presidente del Comitato per il Nobel per la chimica.

I fisici sapevano da tempo, in teoria, che nelle nanoparticelle potevano verificarsi effetti quantistici dipendenti dalla dimensione. Non c'era però una dimostrazione pratica che confermasse quella qualità in scala nanometrica. Pertanto, in pochi credevano la teoria si sarebbe tramutata in un'applicazione pratica.

Tuttavia, all'inizio degli anni '80, Alexei Ekimov riuscì a creare effetti quantistici dipendenti dalle dimensioni nel vetro colorato. Il colore proveniva da nanoparticelle di cloruro di rame ed Ekimov dimostrò che la dimensione delle particelle - da un paio di nanometri fino a oltre 30 - influenzava il colore del vetro tramite effetti quantistici. Le particelle più grandi assorbivano luce come il cloruro di rame, in quelle via via più piccole l'assorbimento virava verso il blu. Ekimov capì quindi di trovarsi davanti a un fenomeno in cui le caratteristiche del materiale dipendevano dalle dimensioni delle particelle.

Pochi anni dopo, Louis Brus fu il primo scienziato al mondo a dimostrare effetti quantistici dipendenti dalle dimensioni nelle particelle che fluttuano liberamente in un fluido. Nel 1993, Moungi Bawendi ha rivoluzionato la produzione chimica dei punti quantici, ottenendo particelle quasi perfette. Qualcuno direbbe "eureka!", perché raggiunse una qualità sufficientemente alta per poterli utilizzare commercialmente.

I punti quantici ora li ritroviamo sui monitor di PC e sulle TV, dove danno vita a colori migliori e un'immagine di qualità superiore. Aggiungono inoltre sfumature alla luce di alcune lampade a LED (calde o fredde), mentre biochimici e medici li usano per mappare i tessuti biologici.

I punti quantici stanno quindi incidendo in modo tangibile sulla società e il progresso. I ricercatori ritengono che in futuro potrebbero contribuire all'elettronica flessibile, ai minuscoli sensori, alle celle solari più sottili e alla comunicazione quantistica crittografata. Insomma, abbiamo appena iniziato a esplorare il potenziale di queste minuscole particelle.

Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus e Alexei I. Ekimov, oltre all'onorificenza, hanno ricevuto 11 milioni di corone svedesi, al cambio circa 950 mila euro, da suddividere in parti uguali.