Il premio Nobel per la chimica per il 2023 è stato assegnato congiuntamente a tre scienziati, Moungy G. Bawendi, Luis E. Brus e Alexei I. Ekimov, per la scoperta e la sintesi di cristalli di dimensione nanometrica, cioè di particelle di dimensione compresa nel range da 2 a decine di nanometri, aggregati che possono contenere quindi un numero di atomi tra 50 e 10000.
In sostanza le ricerche premiate con questo premio Nobel costituiscono una rivoluzione nella chimica. Mentre siamo abituati a pensare che le proprietà di un materiale dipendano sostanzialmente dalla sua composizione in termini atomici e molecolari, le scoperte dei tre scienziati premiati quest’anno aprono ad una nuova realtà nella quale le proprietà di un materiale, a parità di composizione atomica, dipendono e possono essere modulate dalla dimensione. Questo è determinato dal fatto che a dimensioni nanometriche sufficientemente piccole entrano in gioco effetti quantistici come indica il fatto che nanoparticelle di dimensioni appropriate sono chiamate quantum dots, punti quantici, o alternativamente atomi artificiali. Si tratta quindi di una nuova classe di materiali nel senso che non si tratta né di atomi singoli né di materiali massivi.
Un sistema, forse il più semplice, della meccanica quantistica è quello della particella nella scatola, cioè una particella confinata in una scatola (ad esempio una scatola monodimensionale di lunghezza L) da un potenziale infinito in modo che la particella non può uscire dalla scatola. In tale sistema la particella ha livelli energetici discreti e definiti i cui valori e la cui separazione dipendono dalla dimensione della scatola, come mostrato nella Figura 1 per i primi 3 livelli energetici. Riducendo la dimensione della scatola, e quindi aumentando il confinamento della particella, la separazione dei livelli aumenta in maniera significativa. Poiché la frequenza della radiazione assorbita o emessa dalla particella dipende dalla separazione tra i livelli energetici ne deriva che una proprietà come il colore dipende dal grado di confinamento. Lo straordinario contributo di Ekimov, Brus e Bawendi è consistito da un lato nell’estendere la trattazione quantistica a quantum dots con un numero di particelle compreso tra 50 e 10000 e dall’altro nel mettere a punto metodi e procedure per preparare nanoparticelle di dimensioni definite in maniera controllata e riproducibile. La disponibilità di tali materiali nanometrici ha reso possibili nuove straordinarie applicazioni tecnologiche.
Ekimov, verso la fine degli anni 1970, ha studiato vetri drogati con rame e cloro che formano particelle colloidali di cloruro di rame che conferiscono il colore al vetro. Controllando la temperatura e la durata del trattamento termico Ekimov è stato in grado di controllare e determinare la dimensione delle nanoparticelle che così si formavano stabilendo che il colore variava regolarmente con le dimensioni delle nanoparticelle passando dal rosso al violetto riducendo il diametro delle nanoparticelle, come mostrato schematicamente nella Figura 2. La figura mostra anche come la variazione del colore sia associata alla variazione della struttura delle bande di energia tra le quali avviene la transizione che da origine al colore. Ekimov ha interpretato i risultati degli esperimenti in termini quantistici stabilendo una correlazione tra la la frequenza del colore e l’inverso del quadrato del diametro d delle nanoparticelle 1/d2.
I quantum dots studiati da Ekimov sono confinati in una matrice vetrosa rigida (come mostrato schematicamente in Figura 3) e pertanto non si prestano per ulteriori manipolazioni ed usi più generalizzati. Progressi significativi in questa direzione sono stati realizzati da Brus con sospensioni colloidali di particelle solide in liquidi e loro aggregazione controllata con trattamenti termici. Una strategia chimica più accurata è stata poi messa a punto da Bawendi attraverso accurati trattamenti termici di precursori (reagenti organometallici) in solventi con alto punto di ebollizione. Altri metodi di preparazione chimica sono stati in seguito messi a punto per ottenere effetti quantistici anche in strati sottili di materiali o in sistemi mono dimensionali (quantum wires).
I campi di applicazione dei quantum dots sono svariati ed in continua espansione. Essi includono i dispositivi ottici, come ad esempio nei televisori QLED. Sistemi a quantum dots hanno particolari proprietà elettroniche per reattività chimica e come catalizzatori. Con queste metodologie è possibile controllare la magnetizzazione di materiali. Interessanti sono le applicazioni per una efficiente conversione dell’energia solare. I quantum dots hanno trovato applicazione in biomedicina e nanomedicina sia per diagnostica medica che come possibili vettori in campo farmaceutico, anche se per questi usi sono in corso studi per controllo della loro eventuale tossicità.
Una storia dei quantum dots e dei nanocristalli può essere trovata in: F. Montanella, M.V. Kovalenko, Three Millennia of Nanocrystals, ACS Nano 16 (2022) 5085-5102.