2023 Nobel Kimya Ödülü’nü Kuantum Noktalarını Geliştirenler Kazandı

Science Photo Library

Klasik fizik yasalarının geçerli olduğu makroskobik dünyada bir cismin büyüklüğünün değişmesi, cismin fiziksel ve kimyasal özelliklerinde önemli bir değişime neden olmaz. Bir parçacığın boyutları nanometrelerle ölçülmeye başladığında ise kuantum etkileri ortaya çıkar ve parçacığın fiziksel ve kimyasal özellikleri büyüklükle birlikte değişmeye başlar. Örneğin makroskobik bir altın parçası sarı renklidir. Altın kuantum noktalarının rengi ise büyüklüklerine bağlı olarak mavi veya kırmızı da olabilir.

Öncül Çalışmalar

Kuantum noktalarının sıra dışı özelliklere sahip olabileceği 1930’lardan beri biliniyordu. Fizikçi Herbert Fröhlich, 1937 yılında, kuantum mekaniğini kullanarak kuantum noktalar üzerine kuramsal çalışmalar yapmıştı. Elde ettiği sonuçlar 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 değişimlere sebep olacağını göstermişti. Takip eden dönemde başka araştırmacılar da büyüklüğe bağlı kuantum etkileriyle ilgili kuramsal tahminler yaptılar. Ancak o yıllarda bu kuramsal çalışmaları deneylerle doğrulamak zordu.

Ella Maru Studio / Science Photo Library

1970’lerde araştırmacılar nanoyapılar üretmeye başladılar. Bir grup araştırmacı, nanometre kalınlığında kaplama malzemeleri üretti. Deneyler, kuramsal tahminlerle uyumlu bir biçimde, kaplamanın renginin kalınlığına bağlı olarak değiştiğini gösterdi. Ancak kaplamayı üretmek için yararlanılan yöntemlerin pratik amaçlar için büyük ölçekte kullanılması kolay değildi.

Camların Renkleri

İnsanlar binlerce yıldır cam üretiyor. Cam üreticileri binlerce yıldır gümüş, altın, kadmiyum gibi katkı malzemelerini kullanarak ve üretim sıcaklıklarıyla oynayarak camlara renk kazandırıyor. Işığın optik özellikleri üzerine çalışmalar yapan fizikçiler de 1800’lerden beri renkli camlardan yararlanıyorlar. Başlangıçta fizikçiler renkli camlardan sadece belirli dalga boyuna sahip ışık ışınlarını filtrelemek için yararlanıyorlardı. Daha sonraları farklı deneylere daha uygun camlar bulabilmek için kendileri de cam üretmeye başladılar. Fizikçilerin dikkatini çeken önemli noktalardan biri, tek bir katkı malzemesi kullanılarak birbirinden çok farklı renklerde camlar elde edilebilmesiydi. Bilimsel çalışmalar cama renk kazandıranın, içindeki nanoparçacıklar olduğunu ve nanoparçacıkların büyüklüğü değiştikçe rengin de değiştiğini gösteriyordu.

National Energy Technology Laboratory / Us Department Of Energy / Science Photo Library

Işıldayan kuantum noktalar 

Alexei Ekimov doktora çalışmaları sırasında yarı iletkenler üzerine çalışmalar yapmıştı. Mikroelektronik endüstrisinde yarı iletken malzemelerin kalitesini ölçmek için optik yöntemler kullanılır. Ekimov, aşina olduğu bu yöntemleri kullanarak 1980’lerin başlarında S. I. Vavilov Eyalet Optik Enstitüsünde renkli camları incelemeye başladı. Sistematik bir biçimde bakır klorür katkılı camlar üretti. Cam eriyiklerini 1 saat ile 96 saat arasında değişen sürelerle 500 °C ile 700 °C arasında değişen sıcaklıklara ısıttı. Cam soğuyup katılaştıktan sonra X ışını ile camların yapısını inceledi. Elde ettiği sonuçlar, camların içinde ufak bakır klorür kristalleri olduğunu ve kristallerin büyüklüğünün üretim sürecinin detaylarına bağlı olarak değiştiğini gösterdi. Bazı örneklerdeki kristaller sadece 2 nanometre büyüklüğündeyken bazılarındaki kristallerin boyutları 30 nanometreye kadar çıkıyordu. Ayrıca kristallerin boyutları küçüldükçe soğurdukları ışığın rengi giderek maviye kayıyordu. Büyüklüğe bağlı bir kuantum etkisini gözlemlediğini fark eden Ekimov, 1981 yılında yaptığı çalışmaları özetleyen bir makale yayımladı. Ekimov’un çalışmaları, kuantum noktalarının “ilk kez kasten üretilmesi” olarak kayıtlara geçti.

Çözeltilerdeki Kuantum Noktalar

Louis Brus, 1980’lerin başlarında Bell Laboratuvarları’nda kimyasal tepkimeleri güneş enerjisi kullanarak gerçekleştirmek üzerine çalışmalar yapıyor, bu amaca ulaşmak için kadmiyum sülfürden yararlanıyordu. Kadmiyum sülfürün temel işlevi, topladığı güneş enerjisini kimyasal tepkimelere aktarmaktı.

Bir malzeme ne kadar küçük parçalara ayrılırsa içerdiği parçacıkların toplam yüzey alanı artar. Brus da daha fazla güneş enerjisi toplayabilmek için çözelti içerisindeki kadmiyum sülfür parçacıkları küçültme yoluna gitti. Elde ettiği sonuçlar şaşırtıcıydı. Parçacıkların boyutları küçüldükçe optik özelliklerinin değiştiğini fark etmişti. Farklı büyüklüklerdeki parçacıkların optik özelliklerini karşılaştırmaya başladı. Parçacıkların boyutları küçüldükçe renklerinin maviye doğru kaydığını tespit etti. Brus, ilk çalışmalarını 1983 yılında yayımladıktan sonra başka malzemelerde de büyüklüğe bağlı optik değişimleri inceledi. Malzeme türünden bağımsız olarak parçacıkların boyutları küçüldükçe renklerinin maviye kaydığını tespit etti.

Alfred Pasieka / Science Photo Library

Brus’un kuantum noktaları üretmek için kullandığı yöntemler ile ilgili önemli sorunlardan biri, ortaya çıkan ürünlerin kalitesinin kontrol edilememesiydi. Kuantum noktaların kristal yapıları kusurlu oluyordu. Ayrıca parçacıkların ortalama büyüklüğü kontrol edilebilse de tek tek büyülükleri arasında önemli farklar oluyordu. Eğer tüm kuantum noktaların benzer büyüklükte olması istenirse üretimden sonra farklı büyüklükteki noktaların karmaşık yöntemlerle birbirinden ayrıştırılması gerekiyordu.   

Aynı Büyüklükte Kuantum Noktalar

Mounghi Bawendi, 1988 yılında Brus’un laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak bulunuyor, kuantum noktaların üretimi için yeni yöntemler geliştirmeye çalışıyordu. Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde öğretim üyesi olduktan sonra da aynı konu üzerine çalışmaya devam etti. Bawendi, 1993 yılında aynı büyüklükte kuantum noktalar üretmenin bir yolunu buldu.

Bawendi’nin geliştirdiği yöntemde, bir çözeltinin içine, çözeltinin doygun hâle gelmesini sağlayacak kadar malzeme ekleniyor. Böylece çözeltinin içinde ufak kristaller ortaya çıkması sağlanıyor. Daha sonra çözeltinin sıcaklığı kontrollü bir biçimde değiştirilerek belirli bir büyüklükte nanokristaller oluşması sağlanıyor. Bu süreç sırasında çözelti, ortaya çıkan kristallerin pürüzsüz bir yüzeye sahip olmasına yardımcı oluyor.

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 imkân veriyordu. Yeni yöntem sayesinde kuantum noktalar üzerine yapılan bilimsel çalışmaların sayısı hızla arttı.

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. Böylece ekrandaki renkleri elde etmek için gerekli 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 noktalardan yararlanılması üzerine çalışmalar yapıyor. Kimyacılar ise tepkimelerde katalizör olarak kuantum noktalar kullanıyor.

Kuantum noktaların keşfinden sonra periyodik tabloya bir boyut daha eklendiği söylenir. Kuantum noktalardan önce bir elementin özelliklerini kabaca tahmin etmek için elementin atomlarının elektron yapısını bilmek yeterliydi. Kuantum noktalardan sonra ise büyüklük de önem kazandı.

Kaynak:

• https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/popular-chemistryprize2023.pdf