Sijoittaminen Nobel-palkinnon saavutuksiin – Kvanttipisteet & Nanovärit

Nobel-palkinnon historia

Nobel-palkinto on yksi maailman arvostetuimmista tunnustuksista. Se perustuu Alfred Nobelin testamenttiin, jonka mukaan palkinnot annetaan «niille, jotka edellisenä vuonna ovat eniten hyödyttäneet ihmiskuntaa» fysiikan, kemian, fysiologian tai lääketieteen, kirjallisuuden ja rauhantyön aloilla.

Ruotsin keskuspankki perusti myöhemmin taloustieteen palkinnon Alfred Nobelin muistoksi. Se tunnetaan usein taloustieteen Nobel-palkintona, vaikka se ei kuulu testamentin alkuperäisiin palkintoihin.

Useimmat palkinnonsaajat valitsevat ruotsalaiset instituutiot. Rauhanpalkinnon myöntää Norjan Nobel-komitea.

Jälkimaineen merkitys

Usein kerrotun tarinan mukaan Nobel luki virheellisen muistokirjoituksensa veljensä Ludvigin kuoltua. Tarinan vaikutusta testamenttiin ei kuitenkaan tunneta varmasti. Nobel oli kemisti, insinööri ja keksijä, jonka räjähteillä oli sekä siviili- että sotilaskäyttöä. Dynamiitti ja hänen myöhemmin kehittämänsä savuton ruuti olivat eri keksintöjä. Hän toimi myös aseteollisuudessa Boforsin kautta. Testamentti loi perustan palkinnoille, jotka yhdistivät hänen nimensä ihmiskuntaa hyödyttäviin saavutuksiin.

Nobel-palkinto

Nobelin omaisuutta sijoitetaan Nobel-säätiön toiminnan ja palkintojen rahoittamiseksi. Palkinnonsaajat saavat mitalin, kunniakirjan ja rahapalkinnon. Vuonna 2024 täyden palkinnon arvo oli 11 miljoonaa Ruotsin kruunua eli valuuttakurssista riippuen noin miljoona Yhdysvaltain dollaria.

Lähde: Britannica

Palkinto jaetaan usein usean henkilön kesken, etenkin tieteenaloilla, joilla kaksi tai kolme tutkijaa on osallistunut läpimurtoon yhdessä tai rinnakkain.

Vuosikymmenten aikana Nobel-palkinto on tunnustanut sekä perustutkimusta että käytännön sovelluksia. Palkittuja saavutuksia ovat esimerkiksi radioaktiivisuuden tutkimus, antibiootit, röntgensäteet ja PCR sekä ymmärrys auringon energianlähteestä, elektronin varauksesta, atomin rakenteesta ja supranestemäisyydestä.

Mikroskooppiset värit

Näkemämme värit riippuvat siitä, miten aine vuorovaikuttaa valon kanssa. Auringonvalo sisältää eri aallonpituuksia; niiden valikoiva absorptio ja heijastuminen vaikuttavat havaittuun väriin.

Lähde: DataColors

Nanometrimittakaavassa kvantti-ilmiöt voivat muuttaa materiaalin elektronien sallittuja energiatiloja. Tämä vaikuttaa valon absorptioon ja emissioon, jolloin myös väri voi muuttua.

Ilmiötä voidaan kuvata Schrödingerin yhtälöllä, joka on keskeinen osa kvanttimekaniikkaa. Hiukkasten käyttäytymisessä ilmenee sekä aalto- että hiukkasluonnetta.

Herbert Fröhlich ennusti vuonna 1937, että hyvin pienten hiukkasten ominaisuudet voisivat poiketa suurempien kappaleiden ominaisuuksista. Kun elektronien liikkumatila rajoittuu, niiden sallitut energiatilat muuttuvat. Tätä kutsutaan kvanttirajoittumiseksi.

Koska elektronien energiatilat vaikuttavat vuorovaikutukseen valon kanssa, saman materiaalin erikokoiset nanohiukkaset voivat absorboida ja lähettää eri aallonpituuksia.

Ilmiön osoittaminen ja hallittujen valmistusmenetelmien kehittäminen etenivät erityisesti 1980- ja 1990-luvuilla kolmen tutkijan työn ansiosta.

Aleksei Jekimov, Louis Brus ja Moungi Bawendi saivat vuonna 2023 kemian Nobel-palkinnon kvanttipisteiden löytämisestä ja synteesistä.

Lähde: Nobel-palkinto

Kvanttipisteitä käytetään erityisesti näyttötekniikassa, ja niitä tutkitaan lääketieteessä sekä muissa sovelluksissa. Vuoden 2021 noin neljän miljardin dollarin markkina-arvio on historiallinen arvio, jonka kattavuus riippuu lähteestä.

Mahdollisia tulevia käyttökohteita ovat syövän kuvantamisen tutkimus infrapuna-alueen kvanttipisteillä, laajaa valospektriä hyödyntävät aurinkokennot ja nanofotoniikkaan perustuvat elektroniikan valmistusmenetelmät.

Muinaislasista kvanttifysiikkaan

Lasinvalmistajat ovat pitkään tienneet, että lisäaineilla voi tuottaa eri värejä. Nykytutkimus on selvittänyt esimerkiksi metallien ja puolijohteiden nanohiukkasten vaikutuksia lasin optisiin ominaisuuksiin. Kaikki nykyiset lisäaineet eivät olleet käytössä antiikissa.

Sama koostumus voi tuottaa erilaisia värejä, kun kuumennus ja jäähdytys muuttavat muodostuvien hiukkasten kokoa.

Aleksei Jekimov tutki kuparikloridia sisältävää lasia. Röntgenmenetelmät osoittivat, että lämpökäsittely vaikutti kuparikloridinanokiteiden kokoon, joka vaihteli noin 2–30 nanometrin välillä. Kyse ei ollut pelkistä metallisista kuparihiukkasista.

Suuret kiteet käyttäytyivät likimain massamateriaalin tavoin. Pienempien kiteiden absorptio siirtyi lyhyemmille eli sinisemmille aallonpituuksille.

Lähde: Nobel-palkinto

Tutkimus osoitti koosta riippuvan kvantti-ilmiön lasiin muodostuneissa nanokiteissä. Vastaavia kvanttivaikutuksia tunnettiin jo aiemmin muista rakenteista.

Jekimov julkaisi tuloksensa vuonna 1981 neuvostoliittolaisessa tiedelehdessä. Louis Brus teki myöhemmin samankaltaisen löydön liuoksessa itsenäisesti. Länsimaiden tietoisuutta tuloksista ei pidä ajoittaa yksinomaan Neuvostoliiton hajoamiseen.

Liuokseen dispergoidut kvanttipisteet

Yhdysvalloissa Bell Labsissa Louis Brus tutki auringonvalon käyttöä kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen. Hän käytti liuoksessa kadmiumsulfidihiukkasia ja pyrki kasvattamaan reaktiopinta-alaa pienillä hiukkasilla.

Brus havaitsi absorption muuttuvan ajan mittaan. Hiukkaset kasvoivat, ja pienempien, noin 4,5 nanometrin hiukkasten optiset ominaisuudet poikkesivat noin 12,5 nanometrin hiukkasista.

Suuremmat hiukkaset absorboivat valoa massamateriaalin tapaan. Pienempien hiukkasten absorptio siirtyi kohti sinistä.

Lähde: Nobel-palkinto

Nestemäiseen väliaineeseen dispergoituja kolloidisia kvanttipisteitä voitiin käsitellä ja jatkojalostaa joustavammin kuin lasiin lukittuja kiteitä. Tämä avasi uusia sovellusmahdollisuuksia.

Varhaiset valmistusmenetelmät eivät kuitenkaan tuottaneet tasakokoisia hiukkasia luotettavasti. Liuoksessa oli erikokoisten hiukkasten seos.

Teolliset sovellukset edellyttivät hallitumpaa valmistusta ja parempaa toistettavuutta.

Kvanttipisteiden massatuotanto

Moungi Bawendi tuli vuonna 1988 Brus’n laboratorioon tutkijatohtoriksi. Hän kokeili liuottimien, lämpötilojen ja muiden olosuhteiden vaikutuksia. Myöhemmin MIT:ssä hänen tutkimusryhmänsä kehitti hallitun menetelmän:

• Lähtöaineita ruiskutettiin kuumaan liuottimeen, jolloin ylikyllästyminen käynnisti kiteiden muodostumisen.
  • Tällöin syntyi suuri määrä pieniä kidealkioita lähes samanaikaisesti.
  • Ruiskutus jäähdytti liuosta ja pysäytti uusien kidealkioiden muodostumisen nopeasti.
• Lämpötilaa säädettiin tämän jälkeen kiteiden hallitun kasvun mahdollistamiseksi.
  • Hallittu kasvu ja kiteiden pintojen muotoutuminen paransivat optisia ominaisuuksia.

Lähde: Nobel-palkinto

Menetelmä mahdollisti korkealaatuiset ja tasakokoiset kvanttipisteet toistettavasti. Sen omaksuminen auttoi muita tutkijoita kehittämään valmistusta ja sovelluksia.

Uusi tapa säädellä materiaalin ominaisuuksia

Kvanttipisteiden merkitys on siinä, että materiaalin kokoa muuttamalla voidaan muokata sen optisia ja sähköisiä ominaisuuksia koostumusta vaihtamatta.

Nykyisessä jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet järjestetään järjestysluvun, ei atomimassan mukaan. Niiden kemiallisiin ominaisuuksiin vaikuttaa elektronirakenne.

Lähde: Britannica

Kvanttirajoittuminen tarjoaa lisäkeinon materiaalin ominaisuuksien säätelyyn. Se ei luo uusia alkuaineita eikä yksin tarkoita kokonaan uutta olomuotoa.

Myös muilla nanomateriaaleilla on erikoisia ominaisuuksia, kuten nanoputkilla ja kaksiulotteisilla materiaaleilla, esimerkiksi grafeenilla, borofeenilla ja goldeenilla.

Lähde: Ossila

Kvanttipisteiden sovellukset

QLED

Yksi suurimmista kvanttipisteiden sovelluksista on QLED-näyttötekniikka.

Monissa kaupallisissa QLED-näytöissä kvanttipisteet muuntavat sinistä valoa punaiseksi ja vihreäksi. Sinisen valon tuottaa sininen LED, jonka kehittämisestä myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 2014 ja jota käsittelimme aiemmin. Näissä laitteissa kuvan muodostaa tavallisesti LCD-rakenne; ne eivät kaikki ole suoraan valoa lähettäviä kvanttipistenäyttöjä.

Kvanttipisteillä voidaan myös muokata LED-valon spektriä ja värintoistoa.

Optinen signaali

Kvanttipisteitä tutkitaan optisissa viestintäjärjestelmissä ja valon vahvistamiseen liittyvissä rakenteissa. Lasin nanokiteet ja kolloidiset puolijohdekvanttipisteet ovat eri valmistusratkaisuja; niiden käyttöä ei pidä samastaa kaikkiin kaupallisiin kuituvahvistimiin.

Myös Stranski–Krastanov-kasvatusmenetelmällä valmistetut puolijohdekvanttipisteet voivat toimia esimerkiksi optisen tiedonsiirron lasereissa.

Biokemia

Kvanttipisteiden kirkasta ja säädettävää fluoresenssia voidaan käyttää mikroskooppisina merkkiaineina.

Niitä voidaan liittää biomolekyyleihin, kuten proteiineihin tai DNA:han, ja seurata niiden sijaintia fluoresenssimikroskopialla. Menetelmän soveltuvuus riippuu näytteestä ja merkinnän ominaisuuksista.

Lähde: Sigma Aldrich

Lääketiede

Tutkimuksissa kvanttipisteitä on liitetty molekyyleihin, jotka hakeutuvat tiettyihin kasvainkudoksen kohteisiin. Kohdentuminen ei yleensä ole täydellistä eikä rajoitu varmasti vain syöpäsoluihin.

Lähde: Degruyter

Tutkimuksen kohteena on myös valohoito: kvanttipisteillä voidaan tuottaa valon vaikutuksesta lämpöä tai reaktiivisia yhdisteitä kasvainsolujen vaurioittamiseksi. Tämä ei tarkoita kaikkien tällaisten menetelmien olevan vakiintunutta kliinistä hoitoa.

Lääketieteellinen käyttö edellyttää lisää tutkimusta turvallisuudesta, jakautumisesta ja poistumisesta elimistöstä. Mahdollisia ongelmia ovat terveiden solujen vauriot, hajoamistuotteet, kasaantuminen ja pitkäaikainen kertyminen.

Kemian katalyytit

Brus’n tutkimukset liittyivät alun perin valokatalyysiin. Katalyytti nopeuttaa reaktiota kulumatta siinä nettomääräisesti, mutta ei poista reaktion energiantarvetta.

Kvanttipisteet voivat absorboida valoa ja edistää kemiallisia reaktioita, minkä vuoksi niitä tutkitaan edelleen valokatalyytteinä.

Lähde: ACS

Mahdollisia sovelluksia ovat veden hajottaminen vedyn ja hapen tuottamiseksi, hiilidioksidin pelkistäminen polttoaineiksi tai muiksi hiiliyhdisteiksi ja muiden kemiallisten reaktioiden tehostaminen.

Hiilipohjaisia kvanttipisteitä tutkitaan valokatalyysissä. Hiilinanoputket, fullereenit ja grafeeni ovat kuitenkin eri materiaaliluokkia eivätkä kaikki sellaisinaan hiilikvanttipisteitä. Vesiliukoisuus, luminesenssi ja toksisuus riippuvat rakenteesta ja pintakemiasta.

Kvanttipisteet: katalyysisovelluksia

Energia

Puolijohdekvanttipisteiden kiellettyä energiavyötä voidaan säätää koolla ja koostumuksella. Tämä tekee niistä kiinnostavia aurinkokennotutkimuksessa.

Lähde: Degruyter

Kvanttipisteitä voidaan suunnitella absorboimaan eri aallonpituuksia. Piikennot eivät kuitenkaan muunna vain kaikkein suurienergiaisimpia fotoneja: ne absorboivat fotoneja kielletyn energiavyön rajan yläpuolelta, ja osa energiasta häviää muun muassa lämpönä.

Yksiliitoskennon teoreettinen hyötysuhderaja on ihanteellisissa oloissa noin kolmannes. Suuremmat, esimerkiksi 66 prosentin luvut koskevat erityisiä teoreettisia malleja ja oletuksia, eivät kaikkien kvanttipistekennojen yleistä tai saavutettua hyötysuhdetta.

Kvanttitietokoneet

Kvanttipisteet voivat olla hyödyllisiä myös kvanttilaskennassa, jonka kehitystä käsittelimme artikkelissa «Kvanttilaskennan nykytila».

Niitä voidaan tutkia kubittien toteuttamiseen tai yksittäisten spinien paikantamiseen ja havaitsemiseen sekä yksittäisten fotonien lähteiksi.

Kvanttipisteiden valmistuksen kehitys voi auttaa laitteiden skaalaamisessa. Kvanttilaskennan vaatimat tarkkuus, koherenssi, ohjaus ja virheenkorjaus eivät silti seuraa automaattisesti edullisesta nanohiukkasten tuotannosta.

Sijoittaminen kvanttipisteisiin & nanoteknologiaan

Näytöt ovat suuri kvanttipisteiden sovellusalue. Samsung Electronics (SSNLF) on merkittävä alan toimija.

Kvanttipisteet ovat kuitenkin pieni osa Samsungin laajaa liiketoimintaa, johon kuuluu muun muassa muisteja, puolijohteita ja kulutuselektroniikkaa. Osake ei siten tarjoa puhdasta kvanttipistealtistusta.

Kvanttipisteisiin ja nanoteknologiaan liittyviä yhtiöitä voi ostaa eri välittäjien kautta. Sivustolla securities.io on välittäjävertailuja muun muassa Yhdysvalloista, Kanadasta, Australiasta, Britanniasta ja monista muista maista.

Yksittäisten osakkeiden sijasta voi tarkastella nanoteknologiaan liittyviä rahastoja, kuten ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Aiempi Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) lopetettiin jo 24. helmikuuta 2023, joten sitä ei voinut esittää vuonna 2024 ostettavana rahastona. Rahastojen saatavuus ja sisältö on tarkistettava ajantasaisista asiakirjoista.

Voit myös tutustua luetteloomme «Kymmenen nanoteknologiaosaketta».

Kvanttipisteet & nanoteknologiayritykset

1. Nanoco Group (NANO.L)

Lontoossa NANO-tunnuksella listattu Nanoco kehittää kvanttipisteitä ja muita nanomateriaaleja.

Yhtiö kehittää kadmiumittomia kvanttipisteitä. Samsungin kanssa vuonna 2023 sovittu patenttiriita johti 150 miljoonan dollarin bruttokorvaukseen; Nanocolle jäävä nettomäärä oli yli 90 miljoonaa dollaria. Nämä eivät ole sama luku. Patenttimäärät ja lisenssijärjestelyt ovat ajankohtaan sidottuja tietoja.

Nanoco tarjoaa Samsungia kohdennetumpaa altistusta kvanttipistetekniikkaan, mutta pienempään yhtiöön liittyy myös keskittymis- ja kaupallistamisriskejä.

Yhtiö kehittää materiaaleja näyttöihin ja muihin optoelektronisiin sovelluksiin. Mahdollisia markkinoita ovat myös turvamerkinnät, esimerkiksi seteleissä.

Lähde: Nanoco

Toinen tutkimusalue ovat infrapunakvanttipisteet, joita yhtiö kehittää Heatwave-tuoteperheessä. Mahdollisia anturisovelluksia ovat:

• Biometrinen kasvojentunnistus.
• Optiset mittaukset, esimerkiksi happipitoisuuden, bilirubiinin tai glukoosin seurannan tutkimus.
• LIDAR
• Pimeänäkö.

Yhtiö ilmoitti kahdesta kaupallisesta tuotantotilauksesta vuonna 2024. Kadmiumittomuus voi helpottaa joitakin sovelluksia, mutta ei yksin osoita materiaalin olevan turvallinen lääketieteellisessä käytössä.

2. QD Solar / SunDensity Canada

SunDensity ilmoitti kesäkuussa 2024 hankkineensa QD Solarin ja perustaneensa SunDensity Canadan. QD Solar kehitti puolijohdemateriaaleihin ja aurinkokennoihin liittyvää teknologiaa.

Yhdistämisen tavoitteena on kehittää toisiaan täydentäviä aurinkoenergiateknologioita. Kaupallinen menestys ei ole varma.

QD Solarin tutkimus yhdistää eri aallonpituuksia hyödyntäviä materiaaleja, kuten perovskiitteja ja kvanttipisteitä. Tavoitteena on kerätä näkyvän ja infrapuna-alueen energiaa tehokkaammin.

Lähde: QD Solar

SunDensity kehittää nanomittakaavan optisia pinnoitteita, jotka muokkaavat valon spektriä kennoille sopivammaksi. Kyse ei ole pelkästään UV-vaurioilta suojaamisesta.

QD Solarin aktiiviset puolijohdekerrokset ja SunDensityn passiiviset optiset pinnoitteet edustavat erilaisia tapoja parantaa aurinkoenergian hyödyntämistä. Tarkka rakenne riippuu kehityshankkeesta.

Yhtiön mukaan tekniikoiden yhdistäminen voisi mahdollistaa yli 40 prosentin hyötysuhteen. Tämä on kehitystavoite, ei osoitus jo kaupallisesti saavutetusta moduulihyötysuhteesta.

Yahoo Finance

Perovskiittien, kvanttipisteiden ja spektriä muokkaavien pinnoitteiden yhdistämistä voidaan tutkia. Se ei takaa suurinta teoriassa mahdollista hyötysuhdetta eikä poista häviöitä tai materiaalien kestävyyshaasteita.

Lähde: QD Solar

Tehokkaammat kennot voisivat vaikuttaa alan kilpailuun, jos myös kustannukset, käyttöikä ja sarjavalmistus osoittautuvat toimiviksi.

Suuri hyötysuhde ja kestävyys voivat olla erityisen arvokkaita vaativissa sovelluksissa, kuten avaruuteen sijoitettavassa aurinkovoimassa.