Investieren in Nobelpreis-Erfolge – Quantenpunkte & Nanofarben

Geschichte des Nobelpreises

Der Nobelpreis ist die prestigeträchtigste Auszeichnung in der Wissenschaftswelt. Er wurde gemäß Herrn Alfred Nobels Testament geschaffen, um einen Preis „an diejenigen zu verleihen, die im vorangegangenen Jahr den größten Nutzen für die Menschheit erbracht haben“ in Physik, Chemie, Physiologie oder Medizin, Literatur und Frieden zu vergeben.

Ein sechster Preis wurde später von der schwedischen Zentralbank für Wirtschaftswissenschaften geschaffen, offiziell „Preis für Wirtschaftswissenschaften“ genannt, oft besser bekannt als der Nobelpreis für Wirtschaft.

Die Entscheidung, wem der Preis zugeordnet wird, liegt bei mehreren schwedischen akademischen Institutionen.

Erbschaftsbedenken

Die Entscheidung, den Nobelpreis zu schaffen, kam Alfred Nobel, nachdem er seine eigene Nachrufmeldung gelesen hatte, die durch einen Fehler einer französischen Zeitung entstanden war, die den Tod seines Bruders missverstand. Unter dem Titel „Der Händler des Todes ist tot“ kritisierte der französische Artikel Nobel wegen seiner Erfindung rauchfreier Sprengstoffe, von denen Dynamit der berühmteste war.

Seine Erfindungen hatten großen Einfluss auf die moderne Kriegsführung, und Nobel kaufte ein riesiges Eisen‑ und Stahlwerk, um es zu einem bedeutenden Rüstungshersteller auszubauen. Da er zunächst Chemiker, Ingenieur und Erfinder war, erkannte Nobel, dass er nicht als ein Mann in Erinnerung bleiben wollte, der durch Krieg und den Tod anderer ein Vermögen machte.

Nobelpreis

Heutzutage ist Nobels Vermögen in einem Fonds angelegt, der Erträge erwirtschaftet, um die Nobelstiftung sowie die vergoldete grüne Medaille, das Diplom und den Geldpreis von 11 Millionen SEK (etwa 1 Million $) für die Preisträger zu finanzieren.

Quelle: Britannica

Oft wird das Nobelpreisgeld auf mehrere Preisträger aufgeteilt, besonders in wissenschaftlichen Bereichen, wo es üblich ist, dass 2 oder 3 führende Persönlichkeiten gemeinsam oder parallel zu einer bahnbrechenden Entdeckung beitragen.

Im Laufe der Jahre hat sich der Nobelpreis zur wissenschaftlichen Spitzenauszeichnung entwickelt, die versucht, ein Gleichgewicht zwischen theoretischen und sehr praktischen Entdeckungen zu finden. Er hat Leistungen ausgezeichnet, die die Grundlagen der modernen Welt geschaffen haben, wie Radioaktivität, Antibiotika, X‑Strahlen oder PCR, sowie fundamentale Wissenschaften wie die Energiequelle der Sonne, die Elektronenladung, die atomare Struktur oder die Supraleitung.

Mikroskopische Farben

Im Alltag haben Gegenstände bestimmte Farben aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften, wie sie mit Licht wechselwirken. Sonnenlicht enthält ein Farbspektrum, und wenn einige Farben absorbiert werden, erhalten wir unterschiedliche reflektierte Farben.

Quelle: DataColors

Diese Mechanismen funktionieren nicht gleich auf der Nanometerskala. Hier verändern quantenmechanische Effekte, die die Anordnung der Elektronen um den Atomkern beeinflussen, wie ein Material Licht absorbiert. Das wiederum ändert seine Farbe.

Genauer gesagt resultiert das aus der Anwendung der Schrödinger‑Gleichung (SDGR ), die vorhersagt, wie Teilchen im Quantenbereich agieren, wo sie sowohl Welle als auch Teilchen sind.

1937 sagte der Physiker Herbert Fröhlich voraus, dass Nanopartikel aufgrund der Schrödinger‑Gleichung sich anders verhalten würden als größere Teilchen. Wichtig ist, dass bei extrem kleinen Teilchen weniger Raum für die Elektronen des Materials bleibt, sodass sie zusammengedrückt werden.

Da die Wechselwirkung von Licht mit den Elektronen eines Materials dessen Farbe bestimmt, sagte er voraus, dass quantenmechanische Effekte die Farbe von Nanopartikeln je nach Größe (und damit „Zusammendrückung“ der Elektronen) verändern könnten.

Der Übergang von den Theorien der 1930er‑Jahre zur Praxis dauerte und wurde erst in den 1980er‑ und 1990er‑Jahren wirklich realisiert, wobei drei verschiedene Wissenschaftler dies schrittweise ermöglichten.

2023 erhielten sie gemeinsam den Nobelpreis für Chemie für ihre Arbeit, die zur Entdeckung der sogenannten „Quantenpunkte“ führte.

Quelle: Nobel Prize

Heute werden Quantenpunkte in Medizin, Bildschirmen und der QLED‑Herstellung verwendet und stellen 2021 einen Markt von 4 Milliarden $ dar.

Sie könnten in vielen weiteren Anwendungen entscheidend werden, von der Krebsdetektion mit infraroten Quantenpunkten bis der Schaffung von panchromatischen Solarsystemen oder der Eröffnung neuer Möglichkeiten in der Elektronikfertigung mit Nanophotonik.

Von antikem Glas zur Quantenphysik

In der Moderne haben Wissenschaftler etwas wiederentdeckt, das Glasmacher seit der Antike kannten: Durch das Hinzufügen von Verunreinigungen wie Silber, Gold oder Cadmium kann man Glas in unterschiedlichen Farben färben.

Interessanterweise kann dasselbe zugesetzte Element je nach Heiz‑ und Kühlverlauf des Glases unterschiedliche Farben erzeugen.

Aleksey Yekimov, der erste Preisträger dieses Nobelpreises, begann, gefärbtes Glas mit einem Lichtanalyse‑Tool zu untersuchen, das in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Mit Röntgen stellte er fest, dass Glas, das mit Kupferchlorid gefärbt und unterschiedlich lange erhitzt wurde, Kupferpartikelgrößen von 2 nm bis 30 nm aufwies.

Ein faszinierendes Phänomen war, dass große Kupferpartikel „normal“ wirkten, während kleinere Teilchen das Licht stärker ins Blaue absorbierten.

Quelle: Nobel Prize

Dies war nicht das erste Mal, dass ein größenabhängiger Quanteneffekt beobachtet wurde, aber das erste Mal, dass er mit einem relativ einfachen Herstellungsprozess erzeugt wurde, anstatt unter extremen Bedingungen wie Ultrahochvakuum und Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.

Yekimov veröffentlichte seine Ergebnisse in einer sowjetischen Fachzeitschrift, und seine Entdeckung erreichte westliche Wissenschaftler erst nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion. Parallel dazu machten westliche Forscher ebenfalls Entdeckungen, die zur Erfindung der Quantenpunkte führten.

Schwebende Quantenpunkt‑Partikel

Bei Bell Labs in den USA, einem Inkubator für mindestens 10 Nobelpreise, untersuchte Louis Brus, wie man Sonnenenergie zur Erzeugung chemischer Reaktionen nutzt. Er verwendete Cadmiumsulfid‑Partikel in einer Lösung und produzierte möglichst kleine Teilchen, um die Reaktionsfläche zu maximieren.

Er bemerkte, dass die Lichtabsorption dieser Teilchen im Laufe der Zeit veränderte. Nach Untersuchungen stellte er fest, dass sie durch das Agglomerieren kleinerer Teilchen wuchsen, von 4,5 nm auf 12,5 nm.

Die größeren Teilchen absorbierten Licht wie zu erwarten von Cadmiumsulfid. Kleinere Teilchen hingegen verschoben die Absorption ins Blaue.

Quelle: Nobel Prize

Die Teilchen in einer kolloidalen Suspension, die Louis Brus verwendete, waren potenziell viel nützlicher als die im Glas von Yekimov eingeschlossenen, da sie leichter massenproduziert und veredelt werden konnten.

Allerdings erwies sich das Produktionsverfahren als sehr inkonsistent. Nicht nur waren die Endgrößen der Teilchen fast unvorhersehbar, sondern die Lösungen enthielten ein Gemisch aus mehreren Größen.

Weit entfernt von einem reinen Produkt, das in anderen Technologien und im industriellen Maßstab eingesetzt werden könnte, blieb es größtenteils ein wissenschaftliches Kuriosum.

Massenproduktion von Quantenpunkten

Moungi Bawendi war 1988 Post‑Doc im Labor von Louis Brus. Dort experimentierte er mit allen möglichen Variablen, um konsistente Quantenpunkte zu erzeugen, testete verschiedene Lösungsmittel, Temperaturen und Techniken. Das brachte Fortschritte, reichte aber noch nicht für ein reproduzierbares Ergebnis.

Später, während seiner Tätigkeit am MIT, fand er schließlich ein funktionierendes Rezept:

• Sie injizierten das Lösungsmittel mit exakt der Menge an Substanzen, die nötig war, um die Lösung präzise zu sättigen.
  • Dadurch bildeten sich gleichzeitig winzige Kristall‑„Embryonen“.
  • Die kältere Injektion ermöglichte es, die Kristallbildung sofort zu stoppen.
• Dann erhöhten sie progressiv die Temperatur, sodass nach und nach größere Kristalle entstehen konnten.
  • Dieser Schritt ließ das Lösungsmittel den Kristallen eine glatte und gleichmäßige Oberfläche verleihen, was die optischen Eigenschaften verbesserte.

Quelle: Nobel Prize

Diese Methode führte zu einem nahezu perfekten Quantenpunkt‑Kristall. Noch wichtiger: Sie war einfach anzuwenden, sodass mehr Chemiker Quantenpunkte herstellen und potenzielle Anwendungen erforschen konnten.

Ein revolutionärer neuer Materiezustand

Was Quantenpunkte so beeindruckend macht, ist, dass sie die Nutzung des Periodensystems grundlegend verändert haben.

Im Mendelejew‑Periodensystem werden Elemente nach ihrer Atommasse und chemischen Eigenschaften klassifiziert. Diese Eigenschaften werden größtenteils durch das Verhalten der Elektronenwolken um die Atomkerne bestimmt.

Quelle: Britannica

Durch die Modifikation des Elektronenverhaltens eines Elements geben Quantenpunkte dem Periodensystem praktisch eine neue Dimension. Die Entdeckung und Massenproduktion von Quantenpunkten ist daher vergleichbar mit der Entdeckung völlig neuer Materialien mit neuen elektrischen und chemischen Eigenschaften.

Das erinnert ein wenig an andere Materialien mit einzigartigen Eigenschaften, wie Nanoröhren oder die wachsende Reihe potenziell zivilisationsverändernder 2D‑Materialien wie Graphen, Borophen und Goldene.

Quelle: Ossila

Anwendungen von Quantenpunkten

QLED

Eine der größten aktuellen Anwendungen von Quantenpunkten ist die QLED‑Technologie (Quantum‑dot‑LED).

Hier wandeln Quantenpunkte blaues Licht in rotes oder grünes um, wodurch Bildschirme mit lebendigen Farben nur mit einer Lichtquelle (das blaue Licht wird von blauen LED‑Dioden, einer 2014 mit einem Nobelpreis ausgezeichneten Entdeckung, die wir bereits behandelt haben) erzeugt werden.

Quantenpunkte werden auch eingesetzt, um das Licht von LEDs zu verbessern, indem das kühle Licht in eine angenehmere Farbe umgewandelt wird.

Optisches Signal

Während die meisten heutigen Quantenpunkte die lösungsmittelbasierte Lösung von Brus & Bawendi nutzen, werden die von Yekimov entdeckten eingebetteten Kristalle weiterhin beispielsweise zur Signalverstärkung in faseroptischen Kommunikationssystemen verwendet.

Später entdeckte man Quantenpunkte, die durch ein anderes Verfahren hergestellt wurden (Stranski‑Krastanow‑Wachstumsmethode) und die beispielsweise in Quantenpunkt‑Lasern für die optische Kommunikation eingesetzt werden.

Biochemie

Aufgrund ihrer sehr einzigartigen und unverwechselbaren Farben können Quantenpunkte als Marker verwendet werden, um Dinge auf mikroskopischer Ebene zu verfolgen.

Eine solche Anwendung besteht darin, Quantenpunkte an Biomoleküle wie Viren, DNA oder Proteine zu binden, sodass deren Bewegung und Anhäufung mit einem einfachen Fluoreszenzmikroskop verfolgt werden kann.

Quelle: Sigma Aldrich

Medizin

Aufgrund ihres Bildgebungspotenzials können Quantenpunkte verwendet werden, um Tumorgewebe im Körper zu verfolgen, indem die Quantenpunkte an Moleküle gebunden werden, die ausschließlich an Krebszellen haften.

Quelle: Degruyter

Ein aufstrebendes medizinisches Feld, das Quantenpunkte und ihre Fähigkeit, Krebs zu „spotten“, nutzt, ist die Phototherapie. Dabei verwenden Ärzte Quantenpunkte, um Licht zu absorbieren und entweder Wärme oder reaktive Chemikalien zu erzeugen, die die umliegenden Tumorzellen abtöten.

Allerdings ist weitere Forschung nötig, um Quantenpunkte routinemäßig in der Medizin einzusetzen, da sie unerwünschte Nebenwirkungen haben können, etwa gesunde Zellen schädigen, im Körper zerfallen oder agglomerieren und schlecht über die Nieren ausgeschieden werden.

Chemische Katalysatoren

Die Entdeckung der Quantenpunkte begann mit Louis Brus‘ Suche nach besseren Katalysatoren, also Verbindungen, die chemische Reaktionen beschleunigen oder überhaupt erst ermöglichen können.

Und sie könnten nach wie vor eine zentrale Anwendung von Quantenpunkten sein, dank ihrer Fähigkeit, Licht zu absorbieren und chemische Reaktionen zu betreiben, die sonst nicht stattfinden würden.

Quelle: ACS

Dies könnte genutzt werden, um Wasser in Wasserstoff zu spalten, CO₂ in Kohlenwasserstoffe zu reduzieren und andere chemische Reaktionen zu beschleunigen.

Carbon‑Nanotubes, Fullerene und Graphen sind Kohlenstoff‑Quantenpunkte, die häufig als Photokatalysatoren eingesetzt werden, weil sie fortschrittliche Eigenschaften wie Wasserlöslichkeit, einstellbare Photolumineszenz, geringe biologische Toxizität und einfache Oberflächenfunktionalisierung besitzen.

Quantenpunkte: Anwendungen in der Katalyse

Energie

Da Quantenpunkte im Grunde Halbleitermaterial sind, deren Bandlücken je nach Größe variieren, besitzen sie ein starkes Potenzial für den Einsatz in besseren Solarzellen.

Quelle: Degruyter

Der Hauptvorteil, den Quantenpunkte Solarzellen bringen würden, ist, dass sie das Sonnenspektrum, das in Energie umgewandelt werden kann, erweitern (Silizium‑Solarzellen wandeln nur die energiereichsten Photonen um und „verlieren“ 70‑75 % der Sonnenenergie).

Während konventionelle Solarzellen voraussichtlich ein maximales Wirkungsgrad von 30‑35 % erreichen, haben Quantenpunkt‑Solarzellen ein theoretisches Maximum von 66 % (siehe unten zu QD Solar).

Quantencomputer

Im Wettlauf um größere und leistungsfähigere Quantencomputer (wie wir in “The Current State of Quantum Computing ” untersuchten), könnten Quantenpunkte ein wertvolles Werkzeug sein.

Sie könnten als Grundbaustein des Computers, das Qubit, verwendet werden. Oder sie könnten Teile des Systems bilden, die einzelne Spins lokalisieren und detektieren sowie eine gute Quelle für Einzelphotonen darstellen.

Da die Produktion von Quantenpunkten heute gut verstanden und relativ günstig ist, könnten Designs, die auf ihnen basieren, dazu beitragen, Quantencomputer in die Massenproduktion zu bringen und ihre Kosten zu senken.

Investieren in Quantenpunkte & Nanotechnologie

QLED ist derzeit der größte Markt für Quantenpunkte, wobei der riesige südkoreanische Konzern Samsung (sein Zweig Samsung Electronics – SSNLF) Marktführer ist.

Allerdings stellen Quantenpunkte selbst nur einen relativ kleinen Teil des Gesamtgeschäfts dar, da das Unternehmen auch in allen möglichen Halbleitern (Speicher, Chips, Sensoren, 5G usw.) aktiv ist. Daher sind Quantenpunkte nicht wirklich das Kerngeschäft.

Sie können in Quanten‑ und Nanotechnologie‑Unternehmen über zahlreiche Broker investieren; hier finden Sie auf securities.io unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht gezielt Quanten‑ und Nanotechnologie‑Unternehmen auswählen möchten, können Sie auch in Nanotechnologie‑ETFs wie den ProShares Nanotechnology ETF (TINY) oder den Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) investieren, die eine diversifiziertere Exponierung bieten.

Oder Sie können unsere Liste der „Top 10 Nanotechnologie‑Aktien“ ansehen.

Quantenpunkte & Nanotechnologie‑Unternehmen

1. Nanoco Group (NANO.l)

An der Londoner Börse unter dem Ticker NANO notiert, spezialisiert sich Nanoco auf die Entwicklung und Herstellung von Quantenpunkten und anderen Nanomaterialien.

Das Unternehmen ist ein Pionier bei cadmium‑freien Quantenpunkten, verfügt über 375 Patente und eine Lizenzpartnerschaft mit Samsung. Damit endete ein zweijähriger Rechtsstreit mit Samsung von 2021‑2023 über IP‑Rechte, der schließlich dazu führte, dass Nanoco 90 Mio. $ von Samsung erhielt.

So bietet es eine Möglichkeit, in Quantenpunkte zu investieren, die der von Samsung ähnelt, jedoch mit einem stärkeren Fokus auf diese Technologie.

Während das Unternehmen hauptsächlich auf LED‑Anwendungen (OLED, μLEDs, QD‑EL) ausgerichtet ist, untersucht es auch neue Märkte, etwa die Sicherheitskennzeichnung von Geldscheinen.

Quelle: Nanoco

Ein weiterer Sektor, in den das Unternehmen investiert, sind infrarote Quantenpunkte, mit Heatwave. Diese sollten sehr präzise Infrarotsensoren ermöglichen. Mögliche Anwendungen sind:

• Biometrische Gesichtserkennung.
• Optische Diagnostik (Messungen von O₂‑Spiegeln, Bilirubin und Glukose).
• LIDAR
• Nachtsehen.

Das Unternehmen beginnt erst, seine Technologie kommerziell zu nutzen, mit zwei Produktionsaufträgen im Jahr 2024.

Die cadmium‑freie Technologie der Nanoco‑Quantenpunkte könnte eine sehr solide Anwendung für medizinische und biotechnologische Zwecke darstellen, die üblicherweise schwere Metall‑Quantenpunkte weniger willkommen heißen.

2. QD Solar / SunDensity Canada

QD Solar, ein Entwickler von Quantenpunkt‑Solarpaneelen und führend in dieser Technologie, wurde kürzlich von SunDensity Canada, einem Solarzellenhersteller, übernommen.

Diese Akquisition könnte ein Wendepunkt in der Solartechnologie sein.

Einerseits ermöglicht die QD‑Solar‑Technologie höhere Effizienz durch den Einsatz von Quantenpunkten. Das Panel kann infrarote Wellenlängen zur Stromerzeugung nutzen, wobei Perowskit die hochenergetischen Photonen des sichtbaren Spektrums absorbiert.

Quelle: QD Solar

Andererseits verwendet SunDensity‑Technologie spezielle Nanobeschichtungen, um Solarpaneele vor UV‑induzierter Degradation zu schützen, anstatt UV‑Licht in mehr Strom umzuwandeln.

Der „aktive Ansatz“ von QD Solar wird durch die Zugabe einer Perowskit‑Schicht in Kombination mit einer Silizium‑PV‑Zelle erreicht. Der „passive Ansatz“ von SunDensity nutzt Beschichtungen, die die Energie des einfallenden Sonnenlichts effizient in einen besser nutzbaren Bereich für die Solarpaneele verschieben.

Die beiden Technologien ergänzen sich und könnten zusammen eine Modul‑Effizienz von über 40 % erreichen.

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Die Kombination von Perowskit (hochenergetische sichtbare Photonen), Nanobeschichtungen (UV‑Licht) und Quantenpunkten (infrarote Photonen) im selben Solarpanel könnte die maximal erreichbare Effizienz eines Solarpanels darstellen.

Quelle: QD Solar

Die Aussicht auf kommende Solarpaneele mit 40 % Effizienz und noch höhere Werte später könnte ein Wendepunkt für die Branche sein.

Hocheffiziente und langlebigere Solarpaneele könnten besonders für anspruchsvolle Anwendungen wie Weltraum‑Solarenergie von großem Wert sein.