Il Nobel per la chimica ai punti quantici, i più piccoli componenti delle nanotecnologie

Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus e Alexei I. Ekimov sono i tre scienziati che hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica 2023 grazie alla scoperta e alla sintesi dei punti quantici o punti quantistici, nanoparticelle così piccole che le loro dimensioni determinano le loro proprietà. Si tratta delle più piccole componenti delle nanotecnologie con proprietà uniche e oggi diffondono la loro luce negli schermi dei televisori e delle lampade a LED, catalizzano reazioni chimiche o illuminano i tessuti tumorali da rimuovere in sala operatoria. La ricerca fino a oggi ha utilizzato i punti quanti soprattutto per creare luce colorata, ma in futuro potrebbero contribuire a sviluppare elettronica flessibile, minuscoli sensori, celle solari più sottili e sistemi di comunicazione quantistica crittografata.

Le proprietà di un elemento chimico sono governate dal suo numero di elettroni, ma quando la materia si riduce a dimensioni nanometriche, come in questo caso, si generano fenomeni quantistici governati dalle dimensioni della materia stessa. Ed è quello che sono riusciti a fare i tre scienziati premiati: produrre particelle talmente piccole, i punti quantici appunto, che le loro proprietà sono determinate da fenomeni quantistici e che oggi sono fondamentali per le nanotecnologie.

Nei primi anni Ottanta, Alexei Ekimov riuscì a creare effetti quantistici dipendenti dalle dimensioni nel vetro colorato, dimostrando che le dimensioni delle particelle influenzavano il colore del vetro attraverso effetti quantici. Si mise a produrre sistematicamente vetro colorato, scaldando il vetro fuso a temperature tra 500 e 700 °C e variando il tempo di riscaldamento tra una e 96 ore. Raffreddando il vetro ai raggi X si accorse che all'interno si formavano nano-cristalli e che il processo di manifattura aveva influito sulle loro dimensioni, che, a seconda dei campioni, variavano da appena 2 ad anche 30 nanometri e che, infine, l’assorbimento della luce da parte del vetro era influenzato dalle dimensioni delle particelle.

In seguito, Louis Brus fu il primo scienziato al mondo a dimostrare effetti quantistici dipendenti dalle dimensioni in particelle che fluttuavano liberamente in un fluido. Lavorando con particelle di solfuro di cadmio con l'obiettivo di scatenare reazioni chimiche a partire dalla luce solare si accorse che dopo essere rimaste per qualche tempo immerse in una soluzione le loro proprietà ottiche mutavano. Ritenendo che ciò fosse dovuto a un cambio di dimensioni, produsse particelle di 4,5 nanometri e le confrontò con quelle originali di 12,5 nanometri e, mentre le più grandi assorbivano luce alle stesse lunghezze d'onda del solfuro di cadmio, le più piccole assorbivano soprattutto luce blu. Le proprietà degli elementi non erano più influenzate solo dal numero di elettroni nello strato più esterno dell'atomo ma anche dalle dimensioni quando queste diventavano nanometriche.

Nel 1993, infine, Moungi Bawendi rivoluzionò la produzione chimica di punti quantistici ottenendo particelle qualità elevatissima utilizzabili in varie applicazioni. il suo merito è stato quello di rendere la produzione di nano-cristalli di specifiche dimensioni precisa e ripetibile, permettendo a sempre più scienziati di indagare le proprietà dei punti quantici e di lavorare con le nanotecnologie.

Moungi G. Bawendi è nato a Parigi nel 1961 e insegna al Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge (Stati Uniti), Louis E. Brus è nato a Cleveland nel 1943 ed è professore alla Columbia University di New York (Stati Uniti), Alexei I. Ekimov è nato nel 1945 nella ex Unione Sovietica ed è stato direttore scientifico della Nanocrystals Technology di New York (Stati Uniti).