2023 Nobel Kimya Ödülü’nü Kuantum Noktalarını Geliştirenler Kazandı
Makroskobik dünyada, bir cismin büyüklüğünün değişmesi genellikle cismin fiziksel ve kimyasal özelliklerinde belirgin bir değişikliğe neden olmaz. Ancak, parçacıkların boyutları nanometrelerle ölçülmeye başlandığında, kuantum etkileri ortaya çıkar ve parçacıkların fiziksel ve kimyasal özellikleri büyüklükle birlikte değişmeye başlar. Örneğin, makroskobik bir altın parçası sarı renkte görünürken, altın kuantum noktalarının rengi büyüklüklerine bağlı olarak mavi veya kırmızı olabilir.
Öncül Çalışmaların İzleri
Kuantum noktalarının benzersiz özelliklere sahip olabileceği fikri, 1930’lardan beri bilim dünyasında varlığını sürdürmektedir. Özellikle, 1937 yılında fizikçi Herbert Fröhlich’in kuantum mekaniği temelli teorik çalışmaları, bu alandaki ilk önemli adımlardan birini oluşturmuştur. Fröhlich’in araştırmaları, malzemenin boyutları küçüldükçe elektronlara daha az yer kalacağını, hem dalga hem de parçacık özelliği gösteren bu temel parçacıkların bir araya sıkışmasının da malzemenin özelliklerinde önemli değişikliklere neden olabileceğini öne sürmüştür.
Fröhlich’in çalışmalarını takip eden dönemde, başka araştırmacılar da büyüklüğe bağlı kuantum etkileriyle ilgili kuramsal tahminlerde bulunmuşlardır. Ancak, o yıllarda bu kuramsal çalışmaların deneysel olarak doğrulanması oldukça zor bir süreçti ve bu nedenle bu tahminlerin gerçek dünya uygulamalarıyla uyumu belirsizdi.
Ella Maru Studio/Science Photo Library
Nanoteknolojinin Başlangıcı
1970’lerin başlarında, araştırmacılar nanoyapılar üzerinde çalışmaya başladılar. Bu dönemde, bir grup araştırmacı nanometre kalınlığında kaplama malzemeleri üretmeyi başardı. Yapılan deneyler, kuramsal tahminlerle uyumlu bir şekilde, kaplamanın kalınlığına bağlı olarak renginin değiştiğini gösterdi. Ancak, bu kaplama malzemelerinin pratik uygulamalarda büyük ölçekte üretilmesi ve kullanılması oldukça zorlu bir süreçti.
Renkli Camların Keşfi
İnsanlar binlerce yıldır cam üretmektedirler. Cam üreticileri, gümüş, altın, kadmiyum gibi katkı malzemelerini kullanarak ve üretim sıcaklıklarını değiştirerek camlara renk kazandırmışlardır. 1800’lerden itibaren, ışığın optik özellikleri üzerine çalışan fizikçiler de renkli camlardan faydalanmaya başladılar. Başlangıçta, fizikçiler sadece belirli dalga boylarına sahip ışık ışınlarını filtrelemek için renkli camlar kullanıyorlardı. Ancak daha sonra, farklı deneyler için daha uygun camlar bulabilmek amacıyla kendi camlarını üretmeye başladılar.
Fizikçilerin dikkatini çeken önemli bir nokta, tek bir katkı malzemesinin kullanılmasıyla birbirinden farklı renklerde camlar elde edilebilmesiydi. Yapılan bilimsel çalışmalar, camlara rengini verenin içlerindeki nanoparçacıklar olduğunu ve bu parçacıkların büyüklüğünün değişmesiyle rengin de değiştiğini göstermiştir.
National Energy Technology Laboratory/Us Department Of Energy/Science Photo Library
Işıldayan kuantum noktalar
Alexei Ekimov’un Keşfi
Alexei Ekimov, doktora çalışmaları sırasında yarı iletkenler üzerinde araştırmalar yapmıştır. Mikroelektronik endüstrisinde yarı iletken malzemelerin kalitesini ölçmek için optik yöntemler kullanılırken, Ekimov 1980’lerin başlarında S. I. Vavilov Eyalet Optik Enstitüsü’nde renkli camların incelenmesine odaklandı. Burada, sistematik bir şekilde bakır klorür katkılı camlar üretti ve çeşitli sıcaklık ve sürelerde cam eriyiklerini ısıtarak incelemeler yaptı. Elde ettiği sonuçlar, camların içinde küçük bakır klorür kristalleri bulunduğunu ve bu kristallerin büyüklüğünün üretim sürecine bağlı olarak değiştiğini gösterdi. Bazı örneklerdeki kristaller sadece 2 nanometre büyüklüğündeyken, diğerlerinde 30 nanometreye kadar çıkıyordu. Kristallerin boyutları küçüldükçe, soğurdukları ışığın renginin maviye doğru kaydığını gözlemledi. Ekimov, bu çalışmalarını 1981 yılında yayımlayarak kuantum noktalarının ilk kez kasten üretildiğini belgeledi.
Louis Brus’un Araştırması
Louis Brus, 1980’lerin başlarında Bell Laboratuvarları’nda güneş enerjisi kullanarak kimyasal tepkimeleri gerçekleştirmek üzerine çalışıyordu. Bu amaçla kadmiyum sülfürden yararlanıyordu. Kadmiyum sülfür, topladığı güneş enerjisini kimyasal tepkimelere aktarmak için kullanılıyordu. Brus, malzeme parçacıklarının boyutlarındaki değişikliklerin optik özelliklerini nasıl etkilediğini incelemek amacıyla çözeltilerdeki kadmiyum sülfür parçacıklarını küçülttü. Bu çalışmaları sırasında elde ettiği sonuçlar şaşırtıcıydı. Parçacıkların boyutları küçüldükçe optik özelliklerinin değiştiğini tespit etti. Farklı büyüklüklerdeki parçacıkların optik özelliklerini karşılaştırdığında, boyutları küçüldükçe renklerinin maviye doğru kaydığını fark etti. 1983 yılında ilk çalışmalarını yayımladıktan sonra, farklı malzemelerde de benzer büyüklüğe bağlı optik değişimleri inceledi ve bu etkiyi malzeme türünden bağımsız olarak gözlemledi.
Alfred Pasieka/Science Photo Library
Louis Brus’un Sorunları ve Mounghi Bawendi’nin Çözümü
Louis Brus’un kuantum noktaları üretmek için kullandığı yöntemlerden biri, ortaya çıkan ürünlerin kalitesinin kontrol edilememesi sorunuydu. Üretilen kuantum noktaların kristal yapıları genellikle kusurlu oluyor ve parçacıkların büyüklükleri arasında belirgin farklar olabiliyordu. Özellikle, tüm kuantum noktaların benzer büyüklükte olması gerektiğinde, farklı büyüklükteki noktaların ayrıştırılması karmaşık yöntemler gerektiriyordu.
Aynı Büyüklükte Kuantum Noktaların Üretimi
Mounghi Bawendi, 1988 yılında Brus’un laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak çalışıyordu. Daha sonra Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde öğretim üyesi olduktan sonra da kuantum noktaların üretimi üzerine çalışmaya devam etti. 1993 yılında, aynı büyüklükte kuantum noktalar üretmenin bir yolunu buldu.
Bawendi’nin geliştirdiği yöntemde, bir çözeltinin içine, çözeltinin doygun hale gelmesini sağlayacak kadar malzeme ekleniyordu. Bu şekilde, çözeltinin içinde ufak kristallerin oluşması teşvik ediliyordu. Daha sonra, çözeltinin sıcaklığı kontrollü bir şekilde değiştirilerek belirli bir büyüklükte nanokristallerin oluşması sağlanıyordu. Bu süreç sırasında çözelti, ortaya çıkan kristallerin pürüzsüz bir yüzeye sahip olmasına yardımcı oluyordu.
Science Source/Science Photo Library
E. coli bakterilerine (yeşil) bağlanan kuantum noktalar (parlak mavi)
Bawendi’nin geliştirdiği yöntem, hem basitti hem de neredeyse mükemmel kuantum noktalar üretmeye imkan veriyordu. Bu yeni yöntem, kuantum noktalar üzerine yapılan bilimsel çalışmaların sayısını hızla artırdı.
Günümüzde Kuantum Noktalar
Kuantum noktalar, günümüzde pek çok nanoteknolojik cihazın bileşenleri arasında yer alıyor. Örneğin, QLED teknolojisi kullanılan televizyon ekranlarında kuantum noktalardan yararlanılıyor. Kuantum noktalar, diyotlardan yayılan mavi ışığı soğurup kırmızı ya da yeşil renkli ışık yayıyor. Bu sayede ekrandaki renkleri elde etmek için gerekli olan tüm ana renkler üretilmiş oluyor.
National Institute Of Standards And Technology/Science Photo Library
İçerisine kuantum noktalar enjekte edilmiş bir hücre
Biyokimyada ve tıpta da kuantum noktalardan yararlanılıyor. Biyomoleküllere iliştirilen kuantum noktalar, hücrelerin ve organların haritasını çıkarmak için kullanılıyor. Hekimler, tümörleri takip etmek için kuantum noktalarından yararlanılması üzerine çalışmalar yapıyor. Aynı zamanda, kimyacılar tepkimelerde katalizör olarak kuantum noktaları kullanıyorlar.
Kuantum noktalarının keşfinden sonra, periyodik tabloya bir boyut daha eklendiği söylenir. Kuantum noktalarından önce, bir elementin özelliklerini kabaca tahmin etmek için elementin atomlarının elektron yapısını bilmek yeterliydi. Ancak kuantum noktalarıyla birlikte, büyüklük de önem kazandı.