Блог компании Онлайн Патент. Алексей Иванович Екимов (ныне сотрудник Nanocrystals Technology Inc.) в этом году стал лауреатом Нобелевской премии по химии. Разумеется, мы не могли пройти мимо его работ и патентного аспекта в исследованиях его последователей.

Квантовые точки и их применение

Квантовые точки (КТ, Quantum Dots, QDs) представляют собой кристаллы размером от 1 до 10 нанометров. Уникальные свойства квантовых точек обусловлены эффектом размерного квантования. Чаще всего они состоят из бинарных соединений, находящихся в II-VI (например, кадмий и селен) или II-V (например, индий и фосфор) группах периодической таблицы Д.И. Менделеева, а также из атомов элементов (золото, углерод и др.). Квантовые точки не существуют само по себе, россыпью; они «живут» только в твердой среде как изюминки в кексе. Средой для КТ являются стёкла, твердые матрицы (например, керамические) и вязкие жидкости (например из высокомолекулярной органики) разного химического состава.

Квантовые точки находят практическое применение в фотовольтаике, в оптоэлектронике для создания нового поколения светодиодов, в качестве основы активных сред для лазерной генерации, в современных методах флуоресцентной визуализации и оптической диагностики. Их можно встретить в мониторах технологии QLED, светодиодах и лазерах. Интересно их использование в медицине — для флуоресцентного анализа биологических образцов, исследования иммунохимических реакций, диагностики различных вирусных и инфекционных заболеваний и заболеваний сердечно-сосудистой системы, например, исследования кровеносного русла, состояния сосудов и капилляров.

Квантовые точки присутствуют в природе, в том числе в космической пыли, так сказать неожиданно, непредсказуемо. А вот плановое производство квантовых точек встречает ряд сложностей, связанных с неидеальностью характеристик созданных нанокристаллов: наличие внутренних и поверхностных дефектов, дисперсия/неодинаковость размеров и формы КТ, агломерирование отдельных квантовых точек в комплексы (как мука слипается в комочки на кухне у неумелой хозяйки).

Человек не может ни увидеть, ни унюхать, ни услышать квантовые точки, ни тем более осязать (кристаллик размером в одну стотысячную часть миллиметра не доступен ничьей нервной системе). Даже котики не ощущают эти «волшебные порошинки». Для выяснения наличия этих нанокрупинок задействуют спектроскопические методики, поскольку внутри- и межмолекулярные взаимодействия в квантовых точек, их ансамблях и композитах на основе квантовых точек приводят к изменению их спектрально-люминесцентных характеристик. В частности, наличие узкого пика в спектре люминесценции и его положение позволяет характеризовать экситонные возбуждения в исследуемых средах, дисперсия размеров нанокристаллов будет приводить к дополнительному уширению спектра люминесценции ансамбля квантовых точек; наличие дефектов в структуре квантовых точек приводит к появлению рекомбинационной полосы в спектре люминесценции ансамбля квантовых точек, к уменьшению эффективного квантового выхода, а также к наличию эффекта мерцания в спектрах одиночных квантовых точек.

Алексей Екимов сделал открытие квантовых точек, работая в 1970-х годах в Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова. Он участвовал в разработке стекол с полупроводниковыми наполнителями, предназначенных для защиты зрения от мощных вспышек света за счет мгновенного потемнения и способных восстанавливать свою прозрачность после окончания вспышки. Низкотемпературные (при температуре жидкого гелия —273°C) измерения спектров пропускания образцов стекол в ультрафиолетовой области спектра, проведенные в группе Алексея Екимова, позволили установить: изменение условий (температуры и времени) термообработки образцов приводило к изменению размера выделяемых частиц в диапазоне от 2 до 30 нанометров. При этом наблюдался необычный эффект: чем меньше были выращенные кристаллики (наночастицы хлорида меди), тем дальше в ультрафиолетовую область спектра сдвигался поглощаемый ими свет.

Статья Алексея Екимова (и его соавтора Алексея Онущенко) «Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников» опубликована в журнале «Письма в ЖЭТФ» (Журнал экспериментальной и теоретической физики) в 1981 году. Было впервые показано, что спектральные свойства кристаллической частицы нанометрового размера (например, длина волны или цвет ее излучения) зависят от размера наночастицы и могут контролируемым образом меняться путем изменения этого размера. В этой статье были описаны только стекла с нанокристаллами хлорида меди. Было около десятка статей в начале 1980-х (в журнале «Физика и химия стекла» и других), где были исследованы разные стекла. Больше всего известна публикация 1985 года тех же соавторов «Quantum size effect in semiconductor microcrystals» в журнале Solid State Communications, в которой рассмотрен более широкий набор полупроводниковых нанокристаллов. На них до сих пор ссылаются ученые всего мира, поскольку эти работы стимулировали широкомасштабные исследования во многих научно-исследовательских лабораториях и центрах.

Как многие важные открытия, работы Екимова, прямо или косвенно, намеренно или случайно, породили целое древо научных направлений. Наверное, сам Екимов не ожидал, что квантовые точки будут полезны для здоровья человека. Так, оксидативный стресс организма — одна из проблем, для решения которой активно привлекаются биомедицинские квантовые точки.

В присутствии активных форм кислорода определенные вещества — хемилюминофоры — начинают испускать свет, что служит весьма чувствительным методом диагностики оксидативного стресса. Например, проект НИУ ИТМО (рук. Вартанян Тигран Арменакович) направлен на поиск физических явлений, которые могли бы способствовать усилению хемилюминесценции в присутствии активных форм кислорода и переносу химически активированной энергии донора к акцептору энергии с полосами излучения в ближней ИК области. Центральной задачей проекта является переход к экологически безопасным, высокочувствительным и мультифункциональным хемилюминесцентным платформам для тераностики оксидативного стресса. Такие платформы планируется реализовать на основе светоизлучающего агента, возбужденного в результате химической реакции.

Исследователями определены наиболее перспективные направления развития новой диагностической платформы оксидативного стресса; проведены расчеты сечений экстинкции металлических наночастиц из различных материалов (серебро, золото) и различных размеров и форм, что позволит определить задачи для синтеза оптимальных наночастиц с точки зрения передачи возбуждения от хемилюминесцентных молекул (люминол и люцигенин) к полупроводниковым квантовым точкам (AgInS2, CuInS2) и молекулам тетрапирольного ряда, используемым в фотодинамической терапии (хлорин е6 или производных фталоцианина). Ожидается, что будут синтезированы низкотоксичные квантовые точки, эффективно поглощающие видимый свет и излучающие в ближней инфракрасной области спектра. Помимо коллоидных систем, ориентированных на применение in vivo, будет развита микрофлюидная платформа для исследования отобранных образцов биологических жидкостей in vitro. С этой целью будут рассчитаны характеристики плоских ансамблей металлических наночастиц, оптимизированных для регистрации хемилюминесценции.

А что в России?