2023 Nobel Kimya Ödülü: Geliştirilmiş Kuantum Noktalara Gitti

2023 Nobel Kimya Ödülü: Geliştirilmiş Kuantum Noktalara Gitti

TV ekranlarını aydınlatan ve doktorların tümörleri besleyen kan damarlarını görmelerine yardımcı olan küçük noktalar üzerinde yapılan çalışmalar, üç bilim insanına 2023 Nobel Kimya Ödülü’nü kazandırdı.

İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi’nin 4 Ekim’de yaptığı açıklamaya göre kimyager Moungi Bawendi, kimyager Louis Brus ve fizikçi Alexei Ekimov kuantum noktalarının keşfi ve sentezi için ödülü paylaştırdı.

Nobel komitesi üyesi Heiner Linke, “Kuantum noktaları, moleküllerden farklı, yeni bir malzeme sınıfıdır” dedi. Kuantum mekaniği sayesinde bu nanopartiküllerin boyutunun kabaca metrenin birkaç milyarda biri kadar ayarlanması bile onların özelliklerini (optik, elektrik, manyetik ve hatta erime noktaları) değiştirebilir.

Bu aynı zamanda renk için de geçerlidir. Linke, “Moleküllerle farklı renkler oluşturmak istiyorsanız, farklı bir yapıda düzenlenmiş yeni bir molekül, yeni bir atom seti seçersiniz” dedi. Ancak farklı renkteki kuantum noktaları tam olarak aynı atom düzenine sahiptir. Tek fark parçacık boyutudur.

Kuantum noktaları ışıkla ışınlandığında, içindeki elektronlara enerji verilir ve sonunda bu enerji floresan ışık olarak salınır. Noktalar ne kadar küçük olursa, elektronun dalga fonksiyonunu o kadar sıkıştırırlar ve enerjisini artırarak noktanın mavi görünmesini sağlarlar. Daha büyük noktalar kırmızı görünür.

Amerikan Kimya Derneği’nin bir bölümü olan CAS’ta kimyager olan Jean-Marc Pecourt, farklı malzemelerden yapılmış aynı boyuttaki noktaların biraz farklı ışık dalga boyları da yayabileceğini söylüyor. Pecourt, kuantum noktalarının genellikle grafen, selenit veya metal sülfitler gibi yarı iletken malzemelerden yapıldığını söylüyor. Böylece kimyagerler, malzemeleri veya kuantum noktalarının boyutunu ayarlayarak bunların özelliklerini çok çeşitli kullanımlar için değiştirebilirler.

Bu nanopartiküllerin boyutunun özelliklerini değiştirebileceği fikri neredeyse bir yüzyıl önce tahmin edilmişti ancak o zamanlar bu etkiyi gerçek dünyada yeniden üretmek imkânsız görünüyordu. Bunu yapmak için araştırmacıların mükemmel kristalli bir malzemeye ihtiyacı olacak ve nanomalzemenin boyutunu çok hassas bir şekilde kontrol etmeleri ve atom katmanını atom katmanına şekillendirmeleri gerekecekti.

Daha sonra 1980’lerin başında Ekimov ve Brus bağımsız olarak bunun yapılabileceğini gösterdiler. Şu anda Briarcliff Manor, NY’deki Nanocrystals Technology, Inc.’de çalışan Ekimov bunu camda gösterdi, küçük kristaller üretmek için bakır klorür ekledi ve camın renginin bu kristallerin boyutuyla bağlantılı olduğunu ortaya çıkardı. Columbia Üniversitesi’nden Brus da benzer bir keşif yaptı ancak farklı bir bağlamda: Bir çözelti içinde ve gaz halindeki bileşiklerde serbestçe yüzen nanopartiküllerin boyutu ve rengi arasındaki bağlantıyı gösterdi.

Bu keşifler, bu küçük noktaların çeşitli uygulamalar için nasıl kullanılacağına dair yoğun ilgiyi tetikledi. Ancak bunları üretmek, parçacıkların boyutunu kesin spesifikasyonlara göre kontrol edebilmeyi gerektiriyordu.

On yıl sonra, MIT’den Bawendi, kristallerin bir çözelti içindeki büyüme hızını hassas bir şekilde kontrol etmek için bir yöntem geliştirdi ve istenen boyuta ulaştıklarında onları nasıl durduracaklarını buldu. Bunu, önce küçük kristalleri anında oluşturan çözeltiye kimyasal reaktifler enjekte ederek ve ardından çözeltinin sıcaklığını hemen ayarlayarak büyümelerini durdurarak yaptı.

Bawendi, 4 Ekim’de MIT basın toplantısında yaptığı açıklamada, “Bu sabahki duyuru beni derinden onurlandırdı, şaşırttı ve şoke etti. Bunu, doktora sonrası akıl hocam olan ve kendisinden çok şey öğrendiğim Lou Brus ile paylaşmaktan özellikle onur duyuyorum. MIT’e geldiğimde ben de bir profesör olarak onun bursunu ve mentorluk tarzını taklit etmeye çalıştım.”

Bawendi, merkezi Murray Hill, NJ’de bulunan Nokia Bell Labs’ta Brus ile tanıştıktan sonra kuantum noktaları üzerinde çalışmaya başladı. Bawendi, araştırmacıların nanopartiküllerin fiziğini incelemek için yüksek kaliteli kuantum noktalarına ihtiyaç duyduğunu söyledi. “Uygulama için mümkün olan en iyi kuantum noktalarını yapmak istediğim için değildi, onları incelemek için mümkün olan en iyi kuantum noktalarını yapmamız gerektiği içindi.” Yöntemin geliştirilmesinin yıllar süren deneme yanılma gerektirdiğini söyledi.

Bawendi’nin yöntemi, kuantum noktalarının üretilmesini mümkün kılarak nanopartiküllerin olası kullanımlarının kapısını açtı. Kuantum noktaları, LED ışıkların rengini çok hassas bir şekilde değiştirmeyi ve verimliliklerini önemli ölçüde artırmayı mümkün kılar. Vücuda enjekte edilen ve kanserli dokulara akın eden bağışıklık hücrelerine bağlanan floresan ışıkla parlayan noktalar, cerrahların görülmesi zor tümörleri bile ayırt etmesine yardımcı olabiliyor. Farklı dalga boylarındaki ışığı absorbe edecek şekilde ayarlanma yeteneği, farklı ışık koşullarında yüksek verimliliğe sahip özelleştirilmiş güneş pillerinin üretilmesine de olanak sağlayabilir. Pecourt, noktaların kuantum bilgisayarları oluşturmak için de kullanılabileceğini söylüyor.

Biyomedikal mühendisi ve kimyager Warren Chan, ödülün fazlasıyla hak edildiğini söylüyor. Toronto Üniversitesi’nden Chan, “Temeli inşa edenler onlar” diyor. “Bu alanın sadece kuantum noktalarda değil, birçok farklı alanda dünyayı gerçekten değiştirdiği için itibar kazanmasından gerçekten mutluyum.”

İlk uygulamalardan birinin 1990’ların sonunda Chan ve meslektaşlarının laboratuvardaki hücreleri etiketlemek için kuantum noktalarını kullanmasıyla ortaya çıktığını söylüyor. “Uygulamalar için kuantum noktalarını bütünleştirmek için kullanılan yüzey modifikasyonları daha sonra diğer nanopartikül türleri için de uyarlandı.”

Chan, Nobel komitesinin yalnızca geçmiş katkılara değil, aynı zamanda bir keşfin geleceğe olan etkisine de baktığını söylüyor. Nanopartikülleri boyutlarını veya yüzey özelliklerini değiştirerek ayarlama yeteneği, henüz keşfedilmemiş çok çeşitli olasılıkların kapısını aralayabilir. Chan ve meslektaşları artık HIV, grip ve hepatit B gibi bulaşıcı hastalıkları tespit etmek için kuantum noktalarını kullanıyor.

Amerikan Kimya Derneği başkanı Judith Giordan, “Bunu gördüğümde kesinlikle çok heyecanlandım” diyor. “Bu teknolojiyi bir rüyadan, bir umuttan, teorik bir yapıdan sentez ve üretime kadar getiren üç kişi tanıyoruz.”

Bu haftanın başlarında, 2023 kimya Nobel Ödülü’ne aday olduğu yönünde geniş çapta spekülasyonlar yapılan mRNA aşılarının geliştirilmesi, bunun yerine tıp veya fizyoloji alanında Nobel ödülünü aldı.

Giordan, “Bazen kimyanın kötü bir şöhreti olur” diyor. “Ama işte kimyanın dünyadaki sorunları nasıl çözdüğünü gösteren iki muhteşem örnek.”

Üç kazanan, 11 milyon İsveç kronu yani yaklaşık 1 milyon dolar tutarındaki ödülü paylaşacak.

Yazan: İlknur YEŞİLYURT

Referanslar

COVID-19 aşılarına yol açan ilk mRNA araştırması 2023 tıp Nobel Ödülü’nü kazandı. ScienceNews. 02.10.23

Kuantum bilgisayarlar silikona geçiyor, ScienceNews, 14.02.18

YouTube Kanalımız