Der Nobelpreis für Chemie wurde an drei in den USA forschende Wissenschaftler verliehen: Moungi Bawendi, Louis Brus und Alexei Ekimov - für ihre Entdeckung und Entwicklung von Quantenpunkten. Sie werden in modernen Monitoren oder in der Chirurgie eingesetzt.
Die Abkürzung "QLED" findet sich häufig bei modernen Fernsehgeräten oder Monitoren. Das Q steht für Quantum Dots oder auch Quantenpunkte. Sie helfen, das Bild heller und die Farben knalliger zu machen.
Die Teilchen haben einzigartige physikalische Eigenschaften und sind so klein, dass sie nur wenige Nanometer umfassen. Dass die winzigen Quantenpunkte entdeckt wurden und synthetisch hergestellt werden können, geht auf drei Forschende zurück: Den in Frankreich geborenen Moungi G. Bawendi, den US-amerikanischen Forscher Louis Brus sowie den Russen Alexei Ekimov. Dafür erhalten sie 2023 Nobelpreis für Chemie.
Die in den USA tätigen Forscher haben "einen wichtigen Meilenstein" für die Nanotechnologie gelegt, begründet der Generalsekretär der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, Hans Ellegren, die Entscheidung. Heutzutage werden Quantenpunkte neben der LED-Technik zum Beispiel auch in Photovoltaik-Anlagen, Quantencomputern oder der Tumor-Chirurgie verwendet.
Einzigartige physikalische Eigenschaften
Ihre geringe Größe macht Quantenpunkte so speziell: Die Eigenschaften eines Materials werden durch Elektronen bestimmt, die sich darin bewegen und mit Licht interagieren. Quantenpunkte sind so klein, dass Elektronen in ihnen nur wenig Platz haben. Das Material zeigt dadurch ganz neue Eigenschaften, die stark von der Größe der Partikel abhängen.
Dass es einen solchen Effekt geben müsste, vermuteten Wissenschaftler bereits in den 1930er-Jahren. Doch sie konnten ihn nicht nachweisen. Das schaffte Alexei Ekimov erstmals Anfang der 1980er-Jahre anhand von Experimenten mit farbigen Glasscheiben.
Quantenpunkte haben viele spannende und besondere Eigenschaften, vor allem können sie allein abhängig von ihrer Größe völlig unterschiedliche Farben annehmen.
Experimente beweisen Quanteneffekt
Ekimov verwendete in seinen Experimenten Kupferchlorid, um Glas einzufärben. Je nachdem, wie stark und wie lange er das Glas erhitzte, zeigte es nach dem Abkühlen eine andere Farbe. Eine Röntgenuntersuchung des Glases zeigte: Das Kupferchlorid hatte Kristalle gebildet, die nur wenige Nanometer groß waren. Je nach deren Größe färbte sich das Glas unterschiedlich. Die größten Nanopartikel waren rot, die kleinsten blau – der Beweis für die speziellen Eigenschaften von Quantenpunkten.
Kurze Zeit später entdeckte Louis Brus diesen Quanteneffekt für frei in einer Lösung schwebende Teilchen. Doch erst mit der Forschung von Moungi Bawendi konnten die Nanokristalle kontrolliert hergestellt werden - 1993 ein großer Durchbruch. Denn seine Methode ermöglichte es, gezielt Quantenpunkte der gleichen Größe zu erzeugen. Und noch mehr: Ihm gelang es sogar, zu beeinflussen, welche Oberflächenstruktur die Teilchen haben. Das machte sie qualitativ hochwertiger.
Die Eigenschaften der winzigen Partikel konnten dadurch noch besser erforscht werden. Und nur so war es möglich, sie im großen Maßstab herzustellen und kommerziell einsetzbar zu machen - zum Beispiel in der Computertechnologie.
Anwendung in Elektrotechnik und Medizin
Angeregt durch elektrischen Strom können Quantenpunkte leuchten - ähnlich wie herkömmliche LED-Lampen. Der Unterschied: Über ihre Größe lassen sich Quantenpunkte so modifizieren, dass sie in jeder beliebigen Farbe leuchten können. Quantenpunkt-LEDs sind außerdem energieeffizienter und langlebiger.
Forschungslabor in Ehningen eröffnet BW will Zentrum der Quantentechnologie werden
Gestern Mikro, morgen Quanten: BW will das Zentrum einer neuen Technologie werden. In Ehningen wird kräftig geforscht und getestet - wann der Quantensprung kommt, ist noch unklar.
Doch auch in der Medizin besteht noch großes Potential. Denn Quantenpunkte sind nicht nur sehr präzise Lichtquellen, sondern lassen sich auch für die Herstellung extrem empfindlicher Lichtsensoren einsetzen. Kurzwellige Infrarotstrahlung, die sonst kaum erkennbar ist, wird detektiert. Diese Art von Strahlung kann sehr gut in menschliches Gewebe eindringen und bietet sich daher für bildgebende Verfahren wie eine Röntgenuntersuchung an. Gegenüber der Röntgenstrahlung richtet Infrarotstrahlung im Körper jedoch keinen Schaden an.
Dem Preisträger Moungi Bawendi ist es mit seinem Forschungsteam außerdem gelungen, anhand von Infrarot-Sensoren Krebszellen während einer Operation festzustellen. Die Technologie könnte damit zukünftig in der Tumor-Chirurgie zum Einsatz kommen.
