Die Entwicklung von Quantenpunkten gewinnt den Nobelpreis für Chemie 2023.

Die Arbeit an winzigen Punkten, die Fernsehbildschirme zum Leuchten bringen und Ärzten helfen, die Blutgefäße zu sehen, die Tumore versorgen, hat drei Wissenschaftlern den Nobelpreis für Chemie 2023 eingebracht.

Der Chemiker Moungi Bawendi, der Chemiker Louis Brus und der Physiker Alexei Ekimov teilten sich den Preis für die Entdeckung und Synthese von Quantenpunkten, gab die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften am 4. Oktober bekannt.

„Quantenpunkte sind eine neue Materialklasse, die sich von Molekülen unterscheidet“, sagte Heiner Linke, Mitglied des Nobelkomitees. Allein die Anpassung der Größe dieser Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa ein paar Milliardstel Metern kann dank der Quantenmechanik ihre Eigenschaften verändern – optische, elektrische, magnetische und sogar Schmelzpunkte (SN: 29.06.15).

Das gilt auch für die Farbe. „Wenn man mit Molekülen verschiedene Farben erzeugen möchte, würde man ein neues Molekül wählen, eine neue Gruppe von Atomen“, die in einer anderen Struktur angeordnet seien, sagte Linke. Aber Quantenpunkte unterschiedlicher Farbe haben genau die gleiche Anordnung der Atome. Der einzige Unterschied besteht in der Partikelgröße.

Wenn Quantenpunkte mit Licht bestrahlt werden, werden die darin enthaltenen Elektronen mit Energie versorgt und geben diese Energie schließlich als fluoreszierendes Licht ab. Je kleiner die Punkte sind, desto stärker komprimieren sie die Wellenfunktion eines Elektrons und erhöhen seine Energie, sodass der Punkt blau erscheint. Größere Punkte erscheinen rot.

Punkte gleicher Größe aus unterschiedlichen Materialien können auch leicht unterschiedliche Lichtwellenlängen aussenden, sagt Jean-Marc Pecourt, Chemiker am CAS, einer Abteilung der American Chemical Society. Quantenpunkte werden normalerweise aus Halbleitermaterialien wie Graphen, Selenit oder Metallsulfiden hergestellt, sagt Pecourt. Durch die Anpassung von Materialien oder der Größe von Quantenpunkten können Chemiker deren Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen ändern.

Die Idee, dass die Größe dieser Nanopartikel ihre Eigenschaften verändern könnte, wurde vor fast einem Jahrhundert vorhergesagt, aber damals schien es unmöglich, diesen Effekt in der realen Welt zu reproduzieren. Dazu bräuchten die Forscher ein perfekt kristallines Material und müssten die Größe des Nanomaterials sehr genau steuern und es Atomschicht für Atomschicht formen.

Dann, in den frühen 1980er Jahren, zeigten Jekimow und Brus unabhängig voneinander, dass dies möglich ist. Ekimov, jetzt bei Nanocrystals Technology, Inc. in Briarcliff Manor, New York, demonstrierte dies in Glas, indem er Kupferchlorid hinzufügte, um winzige Kristalle zu erzeugen, und enthüllte, dass die Farbe des Glases mit der Größe dieser Kristalle zusammenhängt. Brus von der Columbia University machte eine ähnliche Entdeckung, allerdings in einem anderen Kontext: Er demonstrierte den Zusammenhang zwischen Größe und Farbe für Nanopartikel, die frei in einer Lösung und in gasförmigen Verbindungen schweben (SN: 03.10.92).

Diese Entdeckungen lösten ein großes Interesse daran aus, diese kleinen Punkte für eine Vielzahl von Anwendungen nutzbar zu machen. Für ihre Herstellung wäre es jedoch erforderlich, die Größe der Partikel nach genauen Spezifikationen steuern zu können.

Ein Jahrzehnt später entwickelte Bawendi vom MIT eine Methode, um die Geschwindigkeit des Kristallwachstums in einer Lösung präzise zu steuern und herauszufinden, wie man sie stoppen kann, wenn sie die gewünschte Größe erreichen. Dazu injizierte er zunächst chemische Reagenzien in die Lösung, die sofort die winzigen Kristalle bildeten, und passte dann umgehend die Temperatur der Lösung an, um deren Wachstum zu stoppen.

„Ich fühle mich zutiefst geehrt und bin überrascht und schockiert über die Ankündigung heute Morgen“, sagte Bawendi am 4. Oktober während einer MIT-Pressekonferenz. „Es ist mir eine besondere Ehre, dies mit Lou Brus zu teilen, der mein Postdoktoranden-Mentor war und von dem ich so viel gelernt habe. Ich habe versucht, sein Stipendium und seinen Mentoring-Stil als Professor selbst nachzuahmen, als ich ans MIT kam.“

Bawendi begann mit der Arbeit an Quantenpunkten, nachdem er Brus bei Nokia Bell Labs mit Hauptsitz in Murray Hill, New Jersey, kennengelernt hatte. Die Forscher brauchten qualitativ hochwertige Quantenpunkte, um die Physik der Nanopartikel zu untersuchen, sagte Bawendi. „Es lag nicht daran, dass ich die bestmöglichen Quantenpunkte für die Anwendung herstellen wollte, sondern weil wir die bestmöglichen Quantenpunkte herstellen mussten, um sie zu untersuchen.“ Es bedurfte jahrelanger Versuche und Irrtümer, um die Methode auszuarbeiten, sagte er.

Indem sie die Herstellung von Quantenpunkten ermöglichte, eröffnete Bawendis Methode eine Welt an Einsatzmöglichkeiten für die Nanopartikel. Quantenpunkte ermöglichen es, die Farbe von LED-Leuchten sehr präzise zu ändern und deren Effizienz drastisch zu verbessern. Punkte, die mit fluoreszierendem Licht leuchten, in den Körper injiziert und an Immunzellen befestigt werden, die sich in Krebsgewebe ausbreiten, können Chirurgen dabei helfen, selbst schwer sichtbare Tumore zu unterscheiden (SN: 03.08.04). Die Fähigkeit, auf die Absorption unterschiedlicher Lichtwellenlängen abgestimmt zu werden, könnte auch die Herstellung maßgeschneiderter Solarzellen ermöglichen, die bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen hocheffizient sind. Die Punkte könnten auch zum Bau von Quantencomputern verwendet werden, sagt Pecourt (SN: 14.02.18).

Der biomedizinische Ingenieur und Chemiker Warren Chan sagt, der Preis sei wohlverdient. „Sie sind diejenigen, die das Fundament gelegt haben“, sagt Chan von der University of Toronto. „Ich freue mich wirklich, dass das Fachgebiet dafür gewürdigt wird, die Welt wirklich verändert zu haben, nicht nur bei Quantenpunkten, sondern in vielen anderen Bereichen.“

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Eine der ersten Anwendungen kam Ende der 1990er Jahre, als Chan und Kollegen Quantenpunkte verwendeten, um Zellen im Labor zu markieren, sagt er. „Die Oberflächenmodifikationen, die zur Integration von Quantenpunkten für Anwendungen verwendet wurden, wurden dann auch für andere Arten von Nanopartikeln angepasst.“

Das Nobelkomitee schaue nicht nur auf vergangene Beiträge, sondern auch auf die Auswirkungen, die eine Entdeckung auf die Zukunft haben könnte, sagt Chan. Die Möglichkeit, Nanopartikel durch Veränderung ihrer Größe oder Oberflächeneigenschaften abzustimmen, könnte eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnen, die noch nicht erforscht wurden. Chan und Kollegen verwenden Quantenpunkte nun zur Erkennung von Infektionskrankheiten, darunter HIV, Grippe und Hepatitis B.

„Ich war absolut begeistert, das zu sehen“, sagt Judith Giordan, Präsidentin der American Chemical Society. „Wir haben drei Personen ausgezeichnet, die diese Technologie von einem Traum, einer Hoffnung, einem theoretischen Konstrukt … bis hin zur Synthese und Herstellung gebracht haben.“

Anfang dieser Woche erhielt die Entwicklung von mRNA-Impfstoffen – die vielfach als Kandidat für den Chemie-Nobelpreis 2023 spekuliert wird – stattdessen den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie (SN: 02.10.23).

„Manchmal hat die Chemie einen schlechten Ruf“, sagt Giordan. „Aber hier sind zwei großartige Beispiele dafür, wie die Chemie Probleme in der Welt gelöst hat.“

Die drei Gewinner teilen sich den Preis von 11 Millionen schwedischen Kronen oder etwa 1 Million US-Dollar.

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