2023 års Nobelpris i kemi är inte det första Nobelpriset som delas ut för forskning inom nanoteknik. Men det är kanske den mest färgstarka tillämpningen av tekniken som förknippas med utmärkelsen.
Årets pris uppmärksammar Moungi Bawendi, Louis Brus och Alexei Ekimov för upptäckten och utvecklingen av kvantprickar. Under många år var dessa exakt konstruerade nanometerstora partiklar – bara några hundra tusendelar av ett människohår i diameter – älsklingarna för nanoteknologiska tonhöjder och presentationer. Som forskare och rådgivare inom nanoteknik har jag till och med använt dem själv när jag pratat med utvecklare, beslutsfattare, opinionsbildningsgrupper och andra om löften och farorna med tekniken.
Ursprunget till nanoteknik föregår Bawendi, Brus och Ekimovs arbete med kvantprickar - fysikern Richard Feynman spekulerade i vad som kunde vara möjligt genom nanoteknik så tidigt som 1959, och ingenjörer som Erik Drexler spekulerade om möjligheterna med atomärt exakt tillverkning i 1980-talet. Men årets trio av nobelpristagare var en del av den tidigaste vågen av modern nanoteknik där forskare började sätta genombrott inom materialvetenskap till praktisk användning.
Kvantprickar fluorescerar briljant:De absorberar en färg av ljus och avger det nästan omedelbart som en annan färg. En flaska med kvantprickar, när den belyses med brett spektrum ljus, lyser med en enda levande färg. Det som gör dem speciella är dock att deras färg bestäms av hur stora eller små de är. Gör dem små så får du en intensiv blå. Gör dem större, men fortfarande i nanoskala, och färgen skiftar till rött.
Den här egenskapen har lett till många gripande bilder av rader av flaskor som innehåller kvantprickar av olika storlekar som går från en slående blå i ena änden, genom gröna och apelsiner, till en livlig röd i den andra. Så iögonfallande är denna demonstration av nanoteknikens kraft att kvantprickar i början av 2000-talet blev ikoniska för nanoteknikens konstigheter och nyhet.
Men, naturligtvis, kvantprickar är mer än ett visuellt attraktivt salongstrick. De visar att unika, kontrollerbara och användbara interaktioner mellan materia och ljus kan uppnås genom att konstruera den fysiska formen av materia - modifiera storleken, formen och strukturen hos föremål eller instanser - snarare än att leka med de kemiska bindningarna mellan atomer och molekyler. Distinktionen är viktig, och den är kärnan i modern nanoteknik.
Våglängderna av ljus som ett material absorberar, reflekterar eller avger bestäms vanligtvis av de kemiska bindningar som binder samman dess beståndsdelar. Lek med kemin i ett material och det är möjligt att finjustera dessa bindningar så att de ger dig de färger du vill ha. Till exempel började några av de tidigaste färgämnena med en klar substans som analin, som genom kemiska reaktioner omvandlades till önskad nyans.
Det är ett effektivt sätt att arbeta med ljus och färg, men det leder också till produkter som bleknar med tiden när dessa bindningar försämras. Det handlar också ofta om att använda kemikalier som är skadliga för människor och miljö.
Kvantprickar fungerar annorlunda. Snarare än att vara beroende av kemiska bindningar för att bestämma våglängderna av ljus som de absorberar och avger, förlitar de sig på mycket små kluster av halvledande material. Det är kvantfysiken för dessa kluster som sedan avgör vilka våglängder av ljus som sänds ut – och detta beror i sin tur på hur stora eller små klustren är.
Denna förmåga att ställa in hur ett material beter sig genom att helt enkelt ändra dess storlek är en spelförändring när det gäller intensiteten och kvaliteten på ljus som kvantprickar kan producera, såväl som deras motståndskraft mot blekning eller blekning, deras nya användningsområden och - om de är konstruerade smart – deras toxicitet.
Naturligtvis är få material helt giftfria, och kvantprickar är inget undantag. Tidiga kvantprickar var ofta baserade på till exempel kadmiumselenid - vars beståndsdelar är giftiga. Den potentiella toxiciteten hos kvantprickar måste dock balanseras mot sannolikheten för frisättning och exponering och hur de jämförs med alternativ.
Sedan dess tidigare dagar har quantum dot-teknologin utvecklats i säkerhet och användbarhet och har hittat sin väg till ett ökande antal produkter, från displayer och belysning, till sensorer, biomedicinska applikationer och mer. I processen har en del av deras nyhet kanske tagit slut. Det kan vara svårt att komma ihåg hur mycket av ett kvantsprång tekniken är som används för att marknadsföra den senaste generationen av flashiga TV-apparater, till exempel.
Och ändå är kvantprickar en central del av en teknikövergång som revolutionerar hur människor arbetar med atomer och molekyler.
I min bok "Films from the Future:the Technology and Morality of Sci-Fi Movies" skriver jag om konceptet "baskodning". Tanken är enkel:om människor kan manipulera den mest grundläggande koden som definierar världen vi lever i, kan vi börja omdesigna och omkonstruera den.
Detta koncept är intuitivt när det kommer till datoranvändning, där programmerare använder "baskoden" av 1,s och 0:or, om än genom språk på högre nivå. Det är också vettigt inom biologi, där forskare blir allt skickligare på att läsa och skriva baskoden för DNA och RNA – i det här fallet använder de kemiska baserna adenin, guanin, cytosin och tymin som kodspråk.
Denna förmåga att arbeta med baskoder sträcker sig även till den materiella världen. Här är koden uppbyggd av atomer och molekyler och hur de är ordnade på sätt som leder till nya egenskaper.
Bawendi, Brus och Ekimovs arbete med kvantprickar är ett perfekt exempel på denna form av materialvärldsbaskodning. Genom att exakt bilda små kluster av speciella atomer till sfäriska "prickar" kunde de utnyttja nya kvantegenskaper som annars skulle vara otillgängliga. Genom sitt arbete visade de den transformativa kraft som kommer genom kodning med atomer.
De banade väg för allt mer sofistikerad baskodning i nanoskala som nu leder till produkter och applikationer som inte skulle vara möjliga utan den. Och de var en del av inspirationen till en nanoteknisk revolution som fortsätter än i dag. Att omkonstruera den materiella världen på dessa nya sätt överskrider långt vad som kan uppnås genom mer konventionell teknik.
Denna möjlighet fångades i en rapport från 1999 från U.S. National Science and Technology Council med titeln Nanotechnology:Shaping the World Atom by Atom. Även om det inte uttryckligen nämner kvantprickar – en utelämnande som jag är säker på att författarna nu slår över sig själva – fångade den hur transformerande förmågan att konstruera material på atomär skala kan vara.
Denna formning av världen på atomnivå är precis vad Bawendi, Brus och Ekimov strävade efter genom sitt banbrytande arbete. De var några av de första materialens "baskodare" eftersom de använde atomär precision för att utnyttja kvantfysiken hos små partiklar – och Nobelkommitténs erkännande av betydelsen av detta är välförtjänt.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
