Lo sviluppo dei quantum dots vince il Premio Nobel per la chimica del 2023.

Il lavoro su minuscoli punti che illuminano gli schermi TV e aiutano i medici a vedere i vasi sanguigni che alimentano i tumori ha fruttato a tre scienziati il Premio Nobel per la chimica 2023.

Il chimico Moungi Bawendi, il chimico Louis Brus e il fisico Alexei Ekimov si sono divisi il premio per la scoperta e la sintesi dei punti quantici, ha annunciato il 4 ottobre l'Accademia reale svedese delle scienze.

"I punti quantici sono una nuova classe di materiali, diversi dalle molecole", ha affermato Heiner Linke, membro del comitato Nobel. Basta regolare la dimensione di queste nanoparticelle, circa pochi miliardesimi di metro di diametro, per modificarne le proprietà – ottiche, elettriche, magnetiche e persino i punti di fusione – grazie alla meccanica quantistica (SN: 29/06/15).

Questo vale anche per il colore. "Se vuoi creare colori diversi con le molecole, dovresti scegliere una nuova molecola, un nuovo insieme di atomi" disposti in una struttura diversa, ha detto Linke. Ma i punti quantici di diversi colori hanno esattamente la stessa disposizione degli atomi. L'unica differenza è la dimensione delle particelle.

Quando i punti quantici vengono irradiati dalla luce, gli elettroni al loro interno si energizzano, rilasciando infine quell’energia come luce fluorescente. Quanto più piccoli sono i punti, tanto più comprimono la funzione d'onda di un elettrone, aumentandone l'energia in modo che il punto appaia blu. I punti più grandi appaiono rossi.

Punti della stessa dimensione realizzati con materiali diversi possono anche emettere lunghezze d'onda della luce leggermente diverse, afferma Jean-Marc Pecourt, chimico della CAS, una divisione dell'American Chemical Society. I punti quantici sono solitamente realizzati con materiali semiconduttori, come grafene, selenite o solfuri metallici, afferma Pecourt. Quindi, modificando i materiali o la dimensione dei punti quantici, i chimici possono alterarne le proprietà per un’ampia varietà di usi.

L’idea che la dimensione di queste nanoparticelle potesse alterarne le proprietà fu prevista quasi un secolo fa, ma all’epoca sembrava impossibile riprodurre quell’effetto nel mondo reale. Per fare ciò, i ricercatori avrebbero bisogno di un materiale perfettamente cristallino e di controllare le dimensioni del nanomateriale in modo molto preciso, scolpendolo strato di atomo per strato di atomo.

Poi, all’inizio degli anni ’80, Ekimov e Brus dimostrarono indipendentemente che ciò era possibile. Ekimov, ora alla Nanocrystals Technology, Inc., a Briarcliff Manor, New York, lo ha dimostrato nel vetro, aggiungendo cloruro di rame per produrre minuscoli cristalli e rivelando che il colore del vetro era legato alla dimensione di quei cristalli. Brus, della Columbia University, ha fatto una scoperta simile, ma in un contesto diverso: ha dimostrato il legame tra dimensione e colore per le nanoparticelle che fluttuano liberamente in una soluzione e in composti gassosi (SN: 3/10/92).

Queste scoperte hanno suscitato un intenso interesse su come sfruttare questi piccoli punti per una varietà di applicazioni. Ma per produrli sarebbe necessario essere in grado di controllare la dimensione delle particelle secondo specifiche precise.

Un decennio più tardi, Bawendi, del MIT, sviluppò un metodo per controllare con precisione la velocità di crescita dei cristalli in una soluzione, scoprendo come fermarli proprio quando raggiungono la dimensione desiderata. Lo ha fatto iniettando prima dei reagenti chimici nella soluzione che formavano istantaneamente i minuscoli cristalli e poi regolando prontamente la temperatura della soluzione, arrestandone la crescita.

“Sono profondamente onorato, sorpreso e scioccato dall’annuncio di questa mattina”, ha detto Bawendi il 4 ottobre durante una conferenza stampa del MIT. “Sono particolarmente onorato di condividere questo con Lou Brus, che è stato il mio mentore post-dottorato [da] dal quale ho imparato così tanto. Ho cercato di emulare la sua borsa di studio e il suo stile di mentoring come professore quando sono arrivato al MIT.

Bawendi ha iniziato a lavorare sui punti quantici dopo aver incontrato Brus presso i Nokia Bell Labs, con sede a Murray Hill, N.J. I ricercatori avevano bisogno di punti quantici di alta qualità per studiare la fisica delle nanoparticelle, ha detto Bawendi. "Non era perché volevo creare i migliori punti quantici possibili per l'applicazione, era perché dovevamo creare i migliori punti quantici possibili per studiarli." Ci sono voluti anni di tentativi ed errori per elaborare il metodo, ha detto.

Rendendo possibile la produzione di punti quantici, il metodo di Bawendi ha aperto un mondo di possibili usi per le nanoparticelle. I punti quantici consentono di cambiare in modo molto preciso il colore delle luci a LED e di migliorarne notevolmente l’efficienza. Punti che brillano di luce fluorescente, iniettati nel corpo e attaccati alle cellule immunitarie che sciamano verso i tessuti cancerosi, possono aiutare i chirurghi a distinguere anche i tumori difficili da vedere (SN: 8/3/04). La capacità di essere sintonizzati per assorbire diverse lunghezze d’onda della luce potrebbe anche consentire la produzione di celle solari personalizzate altamente efficienti in diverse condizioni di luce. I punti potrebbero anche essere usati per costruire computer quantistici, dice Pecourt (SN: 14/02/18).

L'ingegnere biomedico e chimico Warren Chan afferma che il premio è ben meritato. "Sono loro che hanno costruito le fondamenta", afferma Chan, dell'Università di Toronto. “Sono davvero felice che questo campo riceva il merito di aver davvero cambiato il mondo, non solo nei punti quantici, ma in molte aree diverse”.

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Una delle prime applicazioni è arrivata alla fine degli anni '90, quando Chan e colleghi hanno utilizzato i punti quantici per etichettare le cellule in laboratorio, spiega. “Le modifiche superficiali utilizzate per integrare i punti quantici per le applicazioni sono state poi adattate anche per altri tipi di nanoparticelle”.

Il comitato del Nobel esamina non solo i contributi passati, ma anche l'effetto che una scoperta potrebbe avere sul futuro, afferma Chan. La capacità di mettere a punto le nanoparticelle modificandone le dimensioni o le proprietà superficiali potrebbe aprire un’ampia varietà di possibilità che non sono ancora state esplorate. Chan e colleghi stanno ora utilizzando i punti quantici per rilevare malattie infettive, tra cui l’HIV, l’influenza e l’epatite B.

"Ero assolutamente entusiasta di vederlo", afferma Judith Giordan, presidente dell'American Chemical Society. "Abbiamo tre persone riconosciute che hanno portato questa tecnologia da un sogno, una speranza, un costrutto teorico... fino alla sintesi e alla produzione."

All’inizio di questa settimana, lo sviluppo di vaccini a mRNA – ampiamente ipotizzato come candidato per il Premio Nobel per la chimica 2023 – ha invece ricevuto il Nobel per la medicina o la fisiologia (SN: 2/10/23).

"A volte la chimica ha una cattiva reputazione", dice Giordan. “Ma ecco due magnifici esempi di come la chimica ha risolto i problemi del mondo.”

I tre vincitori si divideranno il premio di 11 milioni di corone svedesi, ovvero circa 1 milione di dollari.

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