В ряд случайных и невероятно важных открытий — гравитация, пенициллин, Новый Свет (а как же!) — стоит добавить ещё и это: Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли при щедрой финансовой поддержке Министерства энергетики США наконец-то разобралась в том, почему многообещающая методика получения квантовых точек и наностержней, разработанная ранее здесь же и той же группой, не давала желаемых результатов. Более того, учёным удалось найти очень простое решение проблемы.

Нанокристалл квантовой точки в качестве биомаркера (иллюстрация Equinox Graphics /Science Photo Library).

Команда исследователей, ведомая Полом Аливисатосом, директором лаборатории (оцените уровень проблемы, если к делу привлекли самого главного), выяснила, почему нанокристаллы, полученные из нескольких компонентов методом катионного обмена в растворе, демонстрировали совершенно неудовлетворительные люминесцентные способности. Как и следовало ожидать, всё дело было в примесях.

Представьте себе, простое нагревание нанокристаллов до 100˚C в водном растворе способствует их очищению от примесей, и наблюдаемая люминесценция возрастает в 400 раз в течение 30 часов (нагревания). Таким образом, после удаления загрязнений оптоэлектронные свойства нанокристаллов (катионный обмен, вода) стали сопоставимы с параметрами квантовых точек и наностержней, полученных обычным методом (эпитаксия или синтез из коллоидных растворов). Как надеются исследователи, их открытие наконец-то поможет катионному обмену найти свой путь к сердцам производителей наноматериалов.

Более подробно с результатами работы можно ознакомиться в отчёте, опубликованном в журнале Angewandte Chemi. (Довольно необычный выбор для химиков из Нового Света — учитывая уровень авторов и имя спонсора; остаётся предположить, что в Nature просто не смогли оценить всю глубину прорыва.)

Квантовые точки и наностержни — это люминесцирующие полупроводниковые нанокристаллы, имеющие самый широкий спектр применения, включая имиджинг в биологических объектах, солнечную энергетику и дисплейные технологии. Обычно нанокристаллы получают синтезом из коллоидных растворов (или эпитаксией). В качестве альтернативы группа г-на Аливисатоса предложила метод, также основанный на растворной технологии, в котором нанокристаллы химически трансформируются за счёт обмена буквально всех катионов в кристаллической решётке на катионы другого типа. Этот способ сделал возможным получение новых типов наночастиц со структурой «ядро — оболочка», которые были недоступны при обычном синтезе. Наночастицы «ядро — оболочка» являются гетерогенными структурами, в которых один тип полупроводника заключён внутрь другого — к примеру, ядро селенида кадмия (CdSe) находится внутри оболочки из сульфида кадмия (CdS).

Таким образом, будучи действительно очень простой и недорогой технологией по производству мультикомпонентных нанокристаллов, катионобменная методика приводила к получению квантовых точек и наностержней, не обладающих, увы, хоть сколько-нибудь достойными оптическими и электрическими характеристиками. И тогда случилось чудо (ну или случайное открытие), которое распахнуло перед этой технологией двери в светлый мир реальных индустриальных применений!

Как рассказывает Прашант Джейн (тот, кто реально работал и сделал это открытие), однажды он случайно протестировал старый (шестимесячный) коллоидный раствор (взвесь) наночастиц CdSe/CdS под ультрафиолетом, чего обычно не делалось (вероятно, оттого что растворы так долго никогда не хранили). И оказалось, что люминесценция кристаллов за шесть месяцев стояния в воде возросла с семь раз! А дальше логика подсказала метод ускорения очистки кристаллов с помощью доведения водного раствора до кипения.

Люминесценция нанокристаллов CdSe/CuS, приготовленных методом катионного обмена. Слева — взвесь кристаллов до очистки, справа — она же, но уже после кипячения в воде. (Фото Prashant Jain / Berkeley.)

Последующее тщательное изучение процесса очистки показало именно то, что и предполагалось с самого начала: во всех бедах были виноваты загрязнения в виде исходных катионов, вытесненных из узлов элементарных ячеек и всё ещё остающихся где-то в пространстве кристаллической решетки.

Как говорит г-н Джейн, даже небольшого количества примесных катионов хватает, чтобы эффективно препятствовать движению носителей заряда. Во многих квантовых точках и наностержнях носители заряда делокализованы в пространстве всего кристалла, что весьма увеличивает вероятность их столкновения с примесями (и тут уж всё равно, сколько «грязи» содержит кристалл). Нагревание же раствора приводит к удалению загрязнения и устранению примесных ловушек для носителей заряда, что обеспечивает электронам и дыркам время для излучательной рекомбинации и тем самым резко повышает выход люминесценции.