Il Nobel per la Chimica 2023 è stato assegnato a Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus e Alexei I. Ekimov per “la scoperta e la sintesi dei punti quantici” – nanoparticelle – fondamentali nelle nanotecnologie, dalle comunicazioni all’ottica, ai futuri computer superveloci o la diagnosi per immagini per la biomedicina
Le proprietà di un elemento sono regolate dal numero di elettroni che possiede.
Tuttavia, quando la materia si riduce a nano-dimensioni si verificano fenomeni quantistici che sono regolati dalle dimensioni della materia.
I vincitori del premio Nobel 2023 per la chimica sono riusciti a produrre particelle così piccole che le loro proprietà sono determinate da fenomeni quantistici.
I punti quantici e i loro colori
I punti quantici sono nanocristalli fatti di materiali semiconduttori, grandi in genere fra 2 e 10 nanometri (milionesimi di millimetro): pari al diametro di pochi atomi affiancati o alla milionesima parte di una capocchia di spillo.
La particolarità dei punti quantici è di essere così piccoli che le loro caratteristiche dipendono dalle loro dimensioni.
“Alcune delle loro proprietà sono davvero insolite e affascinanti. Per esempio il loro colore cambia a seconda della loro grandezza” ha spiegato Johan Åqvist, segretario del Comitato Nobel per la Chimica.
I vetri possono avere differenti colori, ad esempio, perché contengono materiali con particelle di grandezza diversa: blu le più piccole, gialle e verdi le intermedie e rosse le grandi.
Per capire le loro dimensioni, aiuta pensare al rapporto fra il pianeta Terra e un pallone.
La stessa proporzione esiste fra un pallone e un punto quantico.
Nel mondo dell’infinitamente piccolo le leggi della fisica usuali cessano di funzionare, sostituite da quelle meno intuitive della meccanica quantistica.
Quando le particelle occupano solo pochi nanometri, lo spazio a disposizione degli elettroni si riduce.
Questo fa cambiare le proprietà ottiche della particella, fra cui il colore.
Le dimensioni dei punti quantici stanno a quelle di un pallone come il pallone sta alla Terra.
La motivazione del premio è che “i punti quantici sono particelle con proprietà uniche.
Già oggi diffondono la loro luce dagli schermi delle televisioni e dalle lampade Led.
Funzionano come catalizzatori nelle reazioni chimiche e la loro luce può illuminare un tessuto tumorale davanti agli occhi di un chirurgo”.
Mentre Brus ed Ekimov hanno descritto l’esistenza dei punti quantici, Bawendi si è occupato di perfezionare la loro produzione, che ha bisogno di precisione estrema.
Ekimov ad esempio è stato il primo ad accorgersi che la tonalità di un vetro colorato dipende proprio dalle dimensioni delle particelle che lo compongono.
Nei suoi esperimenti aggiungeva al vetro sempre lo stesso materiale: cloruro di rame, senza riuscire a spiegarsi come mai il colore finale risultasse diverso.
Come capì più tardi, la temperatura e la durata del processo avevano influenzato le dimensioni dei cristalli di cloruro di rame, quindi il loro colore.
Il suo studio fu pubblicato nel 1981, ma solo in russo, e non riuscì a superare la cortina di ferro.
Due anni più tardi Brus arrivò alla stessa scoperta, ma con particelle che fluttuavano in un liquido, man mano che passava il tempo si aggregavano e diventavano più grandi, cambiando sorprendentemente colore.
Oltre al colore, le dimensioni delle particelle influenzano altre proprietà, coma la capacità di condurre elettricità o di reagire chimicamente.
Ne Ekimov né Brus sapevano però produrre nanoparticelle con la precisione necessaria per ottenere esattamente le caratteristiche desiderate.
Estrarre i colori giusti dalla tavolozza è stato il compito di Bawendi, allievo di Brus, che nel 1993 escogitò un metodo di laboratorio per ottenere una tonalità precisa e uniforme. Per i punti quantici si apriva la strada delle applicazioni pratiche.
Le tv a Qled si chiamano così perché usano i quantum led.
I medici usano i punti quantici per colorare ed evidenziare, ad esempio, le cellule tumorali.
In futuro, prevedono gli esperti dell’Accademia svedese delle scienze che hanno scelto i vincitori, i punti quantici potranno contribuire all’elettronica flessibile, a sensori minuscoli, a celle solari più sottili e a comunicazioni quantistiche criptate.
Bawendi è nato a Parigi 62 anni fa da una famiglia di origine tunisina. Brus è americano e ha 80 anni. Ekimov è nato in Unione Sovietica 78 anni fa.
Le provette colorate che hanno accompagnato l’annuncio dei Nobel