Dvojica kemičara, Moungi G. Bawendi i Louis E. Brus i jedan fizičar, Aleksej I. Ekimov, podijelili su ove godine Nobelovu nagradu za kemiju za svoj rad na otkriću i razvoju kvantnih kristala, odnosno kvantnih točaka. Ti su kristali važan dio nanotehnologija.
Što su nanotehnologije? Prefiks nano- (od grčke riječi νᾶνος, "patuljak"), govori nam o dimenzijama materijala koji su u igri. Znamo da je jedan milimetar tisućiti dio metra. Tisućiti dio milimetra je mikron. Ako jedan mikron podijelimo na tisuću dijelova, svaki dio bit će jedan nanometar (nm). Jedan nm je dakle milijarditi dio metra. Koliko je jedan nm malen, pokazuje nekoliko primjera: ljudske vlasi imaju promjer od 50.000 do 80.000 nm i rastu brzinom od oko deset nm/s, odnosno oko 600 nm svake minute; eritrociti su veliki nekoliko tisuća nm, bakterije nekoliko mikrona, a virusi nekoliko desetaka nanometara. Kada bismo poredali deset vodikovih atoma jedan iza drugoga, oni bi zauzeli dužinu od jednog nm.
Ako uzmemo jedan kilogram nekog materijala, npr. zlata, i izmjerimo njegova fizikalna i kemijska svojstva, ona se neće razlikovati od onih koje izmjerimo na samo jednom gramu istog materijala. Međutim, ako napravimo kristaliće zlata veličine nekoliko nm, njihova svojstva bit će bitno različita. Boja će im se promijeniti, a talište smanjiti, ovisno o veličini nanokristala. Kilogram zlata, kao i gram zlata, imaju talište na 1064 Celzijeva stupnja, ali njegovi kristalići veličine od dva do sedam nm imaju talište od 500 do 900 stupnjeva. Svojstva materijala na nanometarskoj razini mogu dakle biti znatno drugačija od svojstava materijala većih dimenzija. Za to je nekoliko razloga. Nanostrukturirani materijali imaju mnogo veću površinu u usporedbi s jednakom masom istog materijala većih dimenzija. To utječe na kemijsku reaktivnost i na njihova fizikalna svojstva. Drugi, jako važan razlog je što u ponašanju materijala na nano razini prevladavaju kvantni efekti koji određuju njihova optička i elektromagnetska svojstva.
U primjeru sa zlatom govorili smo o zlatnim kvantnim točkama, dakle o kristalima zlata nanometarskih dimenzija. Tako male kvantne točke karakteristične su za sve metale. Suprotno tome, poluvodičke kvantne točke mogu imati i po nekoliko tisuća atoma i dimenzije od nekoliko desetaka nanometara, a da su pritom kvantni efekti dominantni. Kao i u primjeru zlata, i kod poluvodičkih kvantnih točaka svojstva ovise o veličini. Ta ovisnost svojstava o veličini u velikoj je mjeri posljedica toga da se kvantna točka, premda je sastavljena od stotina ili tisuća atoma može ponašati kao da je jedan veliki atom. Promjenom veličine točke dobivamo drugi "atom" koji ima druga elektronska svojstva. Tako će veća kvantna točka pod utjecajem svjetla emitirati crvenu svjetlost, a manja plavu, ili pak neku između tih dviju boja, ovisno o veličini.
Upravo u tome leži važnost kvantnih točaka. Rad na sintezi, karakterizaciji i proizvodnji kvantnih točaka započet je još ranih 1980-ih. Ruski fizičar Ekimov studirao je utjecaj čestica nano dimenzija na boju stakla potpuno svjestan da se radi o česticama čijim svojstvima dominiraju kvantni efekti. Prvi članak objavio je 1981. i u njemu je pokazao da nanočestice bakrenog klorida, raspršene u staklu, pod osvjetljenjem emitiraju različitu boju. On je to povezao s kvantnim ponašanjem elektrona u tim nanokristalima. Dvije godine kasnije, ne znajući za Ekimovljev rad, Brus je proizveo nanokristale kadmijevog sulfida u otopini i također opazio iste efekte. Problem tih istraživanja bio je u tome što se nisu mogle dobiti dobro definirane veličine željenih čestica. Bawendi je 1993., nakon desetgodišnjih pokušaja, uspio razviti metodu za dobivanje nanokristala vrlo uske raspodjele veličine čestica. Tako je otvorio vrata tehnološkoj primjeni nanokristala, odnosno nanotehnologijama koje se baziraju na njima. Bawendi je ta istraživanja započeo kao postdoktorand u Brusovoj grupi, a završio je s vlastitom grupom.
LED lampe produkt nanotehnologije (Foto: Mk2010/Wikimedia Commons)
Zbog svojih jedinstvenih mogućnosti, nanotehnologije zadiru u sva područja ljudske djelatnosti, od računala i elektronike, robotike i novih lijekova, sve do tekstilne industrije. U medicinskoj se dijagnostici kvantne točke mogu koristiti kao markeri za stanice raka ili kao nosači molekula lijeka u specifične stanice oboljelog tkiva. Mogu se koristiti i kao biosenzori, a kvantne točke između ostalog upotrebljavaju se u proizvodnji ekrana visokog intenziteta i rezolucije, LED lampi različitih boja svjetlosti, katalizatora ispuha automobila i premazima vjetrobrana i zaštitnim slojevima na tekstilu. Zapravo je začuđujuće da je trebalo trideset godina da bi ta trojica pionira nanotehnologija dobila zasluženu Nobelovu nagradu.
Vrijedno je spomenuti da su istraživanja u području nanotehnologija započela početkom 1990-ih i na Institutu za fiziku u Zagrebu, gdje su stvarane strukture metalnih filmova površine od oko jednog centimetra kvadratnog i debljine točno jedan, dva ili više atoma i potom istraživana njihova elektronska svojstva. Ti su filmovi dakle bili makroskopski u dvije dimenzije i nanoskopski u trećoj dimenziji.
Treba reći i da se početkom 1980-ih pojavila drugačija ideja o nanotehnologijama. Nju je promovirao i na njoj doktorirao Eric Drexler. Njegova je ideja bila da treba istraživati kako iskoristiti znanje o nanomašinama koje je priroda već stvorila, a radi se o proteinima. U našim stanicama nalaze se deseci tisuća različitih proteina bez kojih postojanje stanica ne bi bilo moguće. Oni odrađuju desetke tisuća procesa u živim bićima. Zamisao je bila da sintetiziramo proteine i, modificirajući im strukturu, omogućimo da obavljaju zadatke koje im mi zadamo. Proteini su organski spojevi i zbog toga su stabilni i aktivni u vrlo uskom temperaturnom području. Drexler je zamislio da se stvore proteini koji su puno otporniji od organskih proteina, kao i da se sintetiziraju nanometarski alati i mašine koji bi mogli sve to napraviti.
Cilj je bio stvaranje specifičnih nanorobota koji bi bili vezani uz nanoračunala i tako postali programabilni. Iako sve to zvuči kao znanstvena fantastika, Drexler je svojim izračunima pokazao da nema principijelnih prepreka da se tako nešto i ne ostvari. On je zamislio da se neke od tih struktura grade atom po atom, što je u to vrijeme zaista bila čista fantastika. Šira znanstvena zajednica njegove je ideje uglavnom ignorirala, ponajviše zbog dojma da su neostvarive. Usprkos tome, ideja o nanorobotima zabrinula je sigurnosne službe u SAD-u, tako da je Drexler bio pozvan da svjedoči pred Kongresnim odborom o stanju tih istraživanja u svijetu i o tome koliko eventualni razvoj tih tehnologija može potencijalno biti opasan.
No dio Drexlerovih ideja ipak se ostvario. Naime, sredinom 1990-ih znanstvenici su razvili metode za manipulaciju pojedinačnim atomima i stvaranje nanostruktura koje u prirodi dotad nisu postojale. Takve strukture mogle su se stvarati samo na određenim površinama i na temperaturama bliskima apsolutnoj nuli. Posebnim je tehnikama bilo moguće oslikavati te strukture s atomskom rezolucijom, kao i promatrati kako se u njima zatvoreni elektroni ponašaju. To su također primjeri ekstremno malih kvantnih struktura i možda predstavljaju prvi korak u stvaranju kompleksnih spojeva sa željenim svojstvima, kakvi se ne mogu naći u prirodi ili proizvesti u kemijskim laboratorijima.
Najzad, treba primijetiti da se istraživanje svojstava kvantnih točaka odvija uglavnom u domeni fizike, no ono nije moguće bez proučavanja kemijskih procesa kojima se stvaraju kvantne točke. Zbog toga je potpuno opravdano što je nagrada dodijeljena u području kemije, iako je bilo mnogo glasova koji tvrde da je za ista otkrića mogla biti dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku. Jednako tako, mnogi su smatrali da je ovogodišnja nagrada za fiziku, o kojoj smo nedavno pisali, mogla biti dodijeljena u području kemije, zbog potencijalno velikog utjecaja na kemijska istraživanja. Ti primjeri pokazuju da granice između tradicionalnih disciplina na frontama znanosti nestaju i da se otvaraju golema prostranstva za multidisciplinarna istraživanja u medicini, znanosti o materijalima, ekologiji, biologiji i mnogim drugim područjima.
