Investire nei Successi del Premio Nobel – Quantum Dot e Nanocolori

Storia del Premio Nobel

Il Premio Nobel è il riconoscimento più prestigioso nel mondo scientifico. È stato creato secondo il testamento del signor Alfred Nobel per assegnare un premio “a coloro che, nell’anno precedente, hanno conferito il più grande beneficio all’umanità” in fisica, chimica, fisiologia o medicina, letteratura e pace.

Un sesto premio sarebbe stato creato successivamente per le scienze economiche dalla banca centrale svedese, ufficialmente chiamato Premio per le Scienze Economiche, spesso più noto come Premio Nobel per l’Economia.

La decisione su chi assegnare il premio spetta a diverse istituzioni accademiche svedesi.

Preoccupazioni sull’Eredità

La decisione di creare il Premio Nobel arrivò ad Alfred Nobel dopo aver letto la propria necrologia, a seguito di un errore di un giornale francese che fraintese la notizia della morte di suo fratello. Intitolato “Il Mercante della Morte è Morto”, l’articolo francese criticava Nobel per la sua invenzione di esplosivi senza fumo, di cui la dinamite era la più famosa.

Le sue invenzioni furono molto influenti nella formazione della guerra moderna, e Nobel acquistò una enorme acciaieria per trasformarla in un importante produttore di armamenti. Essendo prima chimico, ingegnere e inventore, Nobel si rese conto di non volere che la sua eredità fosse quella di un uomo ricordato per aver fatto una fortuna grazie alla guerra e alla morte altrui.

Premio Nobel

Oggi, la fortuna di Nobel è conservata in un fondo investito per generare reddito a finanziare la Fondazione Nobel e la medaglia verde placcata in oro, il diploma e il premio in denaro di 11 milioni di SEK (circa 1 milione di dollari) attribuito ai vincitori.

Fonte: Britannica

Spesso, il denaro del Premio Nobel è diviso tra diversi vincitori, specialmente nei campi scientifici dove è comune che 2 o 3 figure di spicco contribuiscano insieme o in parallelo a una scoperta rivoluzionaria.

Nel corso degli anni, il Premio Nobel è diventato IL premio scientifico, cercando di trovare un equilibrio tra scoperte teoriche e molto pratiche. Ha premiato risultati che hanno costruito le fondamenta del mondo moderno, come radioattività, antibiotici, raggi X, o PCR, così come scienze fondamentali, come la fonte di energia del sole, la carica dell’elettrone, la struttura atomica, o la superfluidità.

Colori Microscópici

Nella vita quotidiana, gli oggetti hanno colori specifici a causa delle loro proprietà intrinseche nel modo in cui interagiscono con la luce. La luce solare contiene uno spettro di colori e, quando alcuni colori vengono assorbiti, otteniamo diversi colori riflessi.

Fonte: DataColors

Questi meccanismi non funzionano allo stesso modo a scala nanometrica. Qui, gli effetti quantistici che modificano il modo in cui gli elettroni sono disposti attorno al nucleo di un atomo cambieranno il modo in cui un materiale assorbe la luce. Di conseguenza, ciò modifica il suo colore.

Più precisamente, deriva dall’applicazione dell’equazione di Schrödinger (SDGR ), che prevede come le particelle si comportano a scala quantistica, dove sono sia un’onda sia una particella.

Nel 1937, il fisico Herbert Fröhlich prevedette che, a causa dell’equazione di Schrödinger, le nanoparticelle avrebbero avuto un comportamento diverso rispetto a quelle più grandi. Il più importante è che, quando le particelle diventano estremamente piccole, c’è meno spazio per gli elettroni del materiale, quindi vengono compressi insieme.

Poiché l’interazione della luce con gli elettroni di un materiale determina il suo colore, ciò prevedeva che gli effetti quantistici potessero cambiare il colore delle nanoparticelle a seconda della loro dimensione (e, quindi, di quanto siano “compressi” i loro elettroni).

Passare dalle teorie degli anni ’30 alla pratica avrebbe richiesto tempo e fu realmente realizzato solo negli anni ’80 e ’90, grazie a tre diversi scienziati che progressivamente lo resero possibile.

Nel 2023, hanno collettivamente ricevuto il Premio Nobel per la Chimica per il loro lavoro che ha portato alla scoperta dei cosiddetti “quantum dot”.

Fonte: Nobel Prize

Oggi, i quantum dot sono utilizzati nella medicina, negli schermi e nella produzione di QLED, rappresentando un mercato da 4 miliardi di dollari nel 2021.

Dalla rilevazione del cancro con quantum dot a infrarossi, a creare sistemi solari pancromatici o aprire nuove opportunità nella produzione elettronica con nanofotonica.

Dal Vetro Antico alla Fisica Quantistica

Nell’era moderna, gli scienziati hanno riscoperto qualcosa che i vetrai conoscevano fin dall’Antichità: è possibile creare un vetro colorato di varie tonalità aggiungendo impurità al vetro come argento, oro e cadmio.

Ancora più intrigante, lo stesso elemento aggiunto può generare colori diversi a seconda di come il vetro è stato riscaldato e raffreddato.

Aleksey Yekimov, il primo vincitore di questo Premio Nobel, iniziò ad analizzare il vetro colorato con uno strumento di analisi della luce usato dall’industria dei semiconduttori. Utilizzando i raggi X, scoprì che il vetro tinto con cloruro di rame prodotto con tempi di riscaldamento diversi presentava dimensioni variabili delle particelle di rame, da 2 nm a 30 nm.

Un fenomeno affascinante era che, mentre le grandi particelle di rame si comportavano “normalmente”, più piccole erano le particelle, più blu era la luce che assorbivano.

Fonte: Nobel Prize

Non era la prima volta che veniva osservato un effetto quantistico dipendente dalla dimensione, ma era la prima volta che veniva prodotto con un processo di fabbricazione relativamente semplice, invece di condizioni estreme come vuoto ultra-alto e temperature vicine allo zero assoluto.

Yekimov pubblicò i suoi risultati in una rivista scientifica sovietica, e la sua scoperta non raggiunse gli scienziati del blocco occidentale fino alla caduta dell’Unione Sovietica. Così, parallelamente, gli scienziati occidentali stavano anche facendo scoperte che avrebbero portato all’invenzione dei quantum dot.

Particelle Sospese di Quantum Dot

Presso Bell Labs negli USA, un incubatore per almeno 10 Premi Nobel, Louis Brus studiò come utilizzare l’energia solare per produrre reazioni chimiche. Usò particelle di solfuro di cadmio in una soluzione e produsse particelle il più piccole possibile per massimizzare la superficie di reazione.

Ciò che notò fu che l’assorbimento della luce da parte di queste particelle cambiava nel tempo. Dopo le indagini scoprì che crescevano nel tempo aggregando particelle più piccole, passando da 4,5 nm a 12,5 nm.

Le particelle più grandi assorbivano la luce come ci si aspetterebbe dal solfuro di cadmio. Ma le particelle più piccole avevano un assorbimento spostato verso il blu.

Fonte: Nobel Prize

Le particelle in una sospensione colloidale in un liquido usata da Louis Brus erano potenzialmente molto più utili rispetto a quelle intrappolate nel vetro di Yekimov, poiché potevano essere più facili da produrre in massa e raffinare.

Tuttavia, il metodo di produzione si rivelò molto incoerente. Non solo le dimensioni finali delle particelle erano quasi imprevedibili, ma le soluzioni contenevano una miscela di più dimensioni.

Lontano dall’essere un prodotto puro che potesse essere usato in altre tecnologie e su scala industriale, era ancora per lo più una curiosità scientifica.

Produzione di Massa di Quantum Dot

Moungi Bawendi era uno studente post-dottorato nel laboratorio di Louis Brus nel 1988. Lì, sperimentò con tutte le variabili possibili per creare quantum dot coerenti, testando gli effetti di diversi solventi, temperature e tecniche. Ciò portò a qualche progresso ma non fu ancora sufficiente per un risultato costante e replicabile.

Successivamente, lavorando al MIT, trovò finalmente una ricetta che funzionava:

• Iniettarono il solvente con esattamente la quantità di sostanze necessaria a saturare precisamente la soluzione.
  • Ciò portò alla formazione simultanea di minuscoli “embrioni” cristallini.
  • L’iniezione più fredda permise di fermare immediatamente la formazione dei cristalli.
• Successivamente aumentarono progressivamente la temperatura, consentendo la formazione di cristalli sempre più grandi.
  • Questo passaggio permise al solvente di conferire ai cristalli una superficie liscia e uniforme, migliorando le proprietà ottiche risultanti.

Fonte: Nobel Prize

Questo metodo ha prodotto un cristallo di quantum dot quasi perfetto. Ancora più importante, era facile da usare, così più chimici potevano iniziare a produrre quantum dot e investigare potenziali applicazioni.

Uno Stato della Materia Rivoluzionario

Ciò che rende i quantum dot così impressionanti è che hanno completamente cambiato il modo in cui possiamo utilizzare la tavola periodica degli elementi.

Nella tavola periodica di Mendeleev, gli elementi sono classificati in base alla loro massa atomica e alle proprietà chimiche. Queste proprietà sono principalmente determinate dal comportamento delle nuvole di elettroni attorno ai nuclei di ciascun atomo.

Fonte: Britannica

Modificando il modo in cui gli elettroni di un elemento si comportano, i quantum dot hanno essenzialmente aggiunto una nuova dimensione alla tavola periodica degli elementi. Pertanto, la scoperta e la produzione di massa dei quantum dot è paragonabile alla scoperta di materiali completamente nuovi, con nuove proprietà elettriche e chimiche.

Questo ricorda un po’ altri materiali con proprietà uniche, come i nanotubi o le crescenti serie di materiali 2D potenzialmente rivoluzionari per la civiltà come grafene, borofene e goldene.

Fonte: Ossila

Applicazioni dei Quantum Dot

QLED

Una delle più grandi applicazioni attuali dei quantum dot è la tecnologia QLED (Quantum dot LED).

In essa, i quantum dot trasformano la luce blu in rossa o verde, permettendo la creazione di schermi con colori vividi usando una sola sorgente luminosa (la luce blu è emessa da LED a luce blu, una scoperta premiata con il Premio Nobel nel 2014, di cui abbiamo già parlato).

I quantum dot sono anche usati per migliorare la luce dei LED trasformando la luce più fredda in un colore più gradevole.

Segnale Ottico

Mentre la maggior parte dei quantum dot oggi utilizza la soluzione a base di solvente di Brus & Bawendi, i cristalli incorporati scoperti da Yekimov sono ancora usati, ad esempio per l’amplificazione del segnale nei sistemi di comunicazione in fibra ottica.

I quantum dot prodotti con un altro metodo furono scoperti in seguito (metodo di crescita Stranski‑Krastanov) e sono, ad esempio, usati nei laser a quantum dot per la comunicazione ottica.

Biochimica

A causa dei loro colori molto unici e distintivi, i quantum dot possono essere usati come marcatori per tracciare oggetti a livello microscopico.

Una di queste applicazioni è che i biochimici possano legare i quantum dot a biomolecole come virus, DNA o proteine, consentendo di tracciare il loro movimento e accumulo con un semplice microscopio a fluorescenza.

Fonte: Sigma Aldrich

Medicina

A causa del loro potenziale di imaging, i quantum dot possono essere usati per tracciare il tessuto tumorale nel corpo legando i quantum dot a molecole che si legano solo alle cellule cancerose.

Fonte: Degruyter

Un campo emergente della medicina che utilizza i quantum dot e la loro capacità di “individuare” il cancro è la fototerapia. In essa, i medici usano i quantum dot per assorbire luce e produrre calore o sostanze chimiche reattive che causano la morte delle cellule tumorali circostanti.

Tuttavia, è necessaria più ricerca per utilizzare regolarmente i quantum dot in medicina, poiché possono causare effetti collaterali indesiderati, come danni alle cellule sane, degradazione o aggregazione nel corpo e una scarsa eliminazione da parte dei reni.

Catalizzatori Chimici

La scoperta dei quantum dot iniziò con la ricerca di Louis Brus di catalizzatori migliori, composti che possono accelerare o rendere possibili reazioni chimiche altrimenti lente.

E potrebbe ancora essere una delle applicazioni chiave dei quantum dot, grazie alla loro capacità di assorbire luce per alimentare reazioni chimiche che altrimenti non avverrebbero.

Fonte: ACS

Questo potrebbe essere usato per dividere l’acqua in idrogeno, ridurre CO2 in composti idrocarburici, e potenziare altre reazioni chimiche.

I nanotubi di carbonio, i fullereni e il grafene sono quantum dot di carbonio frequentemente usati come fotocatalizzatori grazie alle loro proprietà avanzate come solubilità in acqua, fotoluminescenza regolabile, bassa tossicità biologica e facilità di funzionalizzazione della superficie.Quantum dot: applicazioni nella catalisi

Energia

Poiché i quantum dot sono in definitiva un materiale semiconduttore, con band gap variabili a seconda della loro dimensione, hanno un forte potenziale per l’applicazione nella creazione di celle solari migliori.

Fonte: Degruyter

Il principale vantaggio che i quantum dot porterebbero alle celle solari è che potrebbero allargare lo spettro solare convertibile in energia (le celle solari al silicio convertono in energia solo i fotoni di più alta energia, “perdendo” il 70‑75 % dell’energia solare).

Quindi, mentre le celle solari convenzionali probabilmente progrediranno fino a un massimo del 30‑35 % di efficienza di conversione, le celle solari a quantum dot hanno un massimo teorico del 66 % di efficienza (vedi sotto QD Solar).

Computer Quantistici

Nella corsa per creare computer quantistici più grandi e più potenti (che abbiamo esaminato in \”Lo Stato Attuale del Quantum Computing \”), i quantum dot potrebbero essere uno strumento prezioso.

Potrebbero essere usati come componente di base del computer, il Qubit. Oppure potrebbero costituire parti del sistema usato per localizzare e rilevare spin singoli, oltre a essere una buona fonte di fotoni singoli.

Poiché la produzione di quantum dot è ora ben compresa e relativamente economica, i progetti che ne fanno uso potrebbero contribuire a portare i computer quantistici a una scala di produzione di massa e a ridurne il prezzo.

Investire in Quantum Dot e Nanotecnologia

QLED è attualmente il più grande mercato per i quantum dot, con il colosso conglomerato coreano Samsung (la sua filiale Samsung Electronics – SSNLF) leader del mercato.

Tuttavia, i quantum dot stessi rappresentano una parte relativamente piccola dell’intero business, poiché l’azienda è anche attiva in tutti i tipi di semiconduttori (memoria, chip, sensori, 5G, ecc.). Pertanto, i quantum dot non sono davvero il core del business.

Puoi investire in aziende di quantum dot e nanotecnologia tramite molti broker, e puoi trovare qui, su securities.io, le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e in molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere aziende di quantum dot e nanotecnologia, puoi anche considerare gli ETF di nanotecnologia come il ProShares Nanotechnology ETF (TINY) o il Direxion Nanotechnology ETF (TYNE), che forniranno un’esposizione più diversificata per capitalizzare sui titoli di quantum dot e nanotecnologia.

Oppure puoi consultare la nostra lista delle “Top 10 Azioni di Nanotecnologia”.

Aziende di Quantum Dot e Nanotecnologia

1. Nanoco Group (NANO.l)

Quotata alla Borsa di Londra con il ticker NANO, Nanoco è specializzata nello sviluppo e nella produzione di quantum dot e altri nanomateriali.

L’azienda è pioniera nei quantum dot privi di cadmio, con 375 brevetti e una partnership di licenza con Samsung. Questo ha chiuso una causa legale di 2 anni con Samsung dal 2021 al 2023 sui diritti di proprietà intellettuale, che ha portato infine Nanoco a ricevere 90 milioni di dollari da Samsung.

Quindi può offrire un modo per investire nei quantum dot simile a Samsung, ma con un focus più forte su questa tecnologia in particolare.

Sebbene l’azienda sia principalmente focalizzata su applicazioni LED (OLED, μLED, QD‑EL), sta anche investigando nuovi mercati, come, ad esempio, il tagging di sicurezza per le banconote.

Fonte: Nanoco

Un altro settore in cui l’azienda sta investendo sono i quantum dot a infrarossi, con Heatwave. Dovrebbe consentire sensori infrarossi molto precisi. Tra le possibili applicazioni ci sono:

• Riconoscimento facciale biometrico.
• Diagnostica ottica (misurazioni dei livelli di O₂, bilirubina e glucosio).
• LIDAR
• Visione notturna.

L’azienda sta appena iniziando a commercializzare la sua tecnologia con due ordini di produzione commerciale nel 2024.

La tecnologia priva di cadmio dei quantum dot Nanoco potrebbe trovare un’applicazione molto solida per le applicazioni mediche e biotecnologiche, che di solito sono meno favorevoli ai quantum dot a base di metalli pesanti.

2. QD Solar / SunDensity Canada

QD Solar, sviluppatore di pannelli solari a quantum dot e leader in questa tecnologia, è stato recentemente acquistato da SunDensity Canada, produttore di pannelli solari.

Questa acquisizione potrebbe cambiare le regole del gioco nella tecnologia solare.

Da un lato, la tecnologia solare QD consente una maggiore efficienza grazie all’uso dei quantum dot. Questo permette al pannello di utilizzare lunghezze d’onda infrarosse per produrre elettricità, con il perovskite usato per assorbire i fotoni ad alta energia dello spettro visibile.

Fonte: QD Solar

D’altro canto, la tecnologia SunDensity utilizza nano‑rivestimenti speciali per proteggere i pannelli solari dal degrado indotto dai raggi UV, invece di convertire la luce UV in più elettricità.

L’approccio “attivo” di QD Solar è ottenuto tramite l’aggiunta di uno strato di perovskite in tandem con una cella fotovoltaica al silicio. L’approccio “passivo” di SunDensity prevede rivestimenti che spostano efficientemente l’energia della luce solare incidente in un intervallo più utilizzabile per l’assorbimento da parte dei pannelli solari.

Le tecnologie sono complementari con il potenziale di raggiungere più del 40 % di efficienza del modulo quando combinate.

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Quindi la combinazione di utilizzo nello stesso pannello solare di perovskite (fotoni visibili ad alta energia), nano‑rivestimenti (luce UV) e quantum dot (fotoni infrarossi) potrebbe raggiungere la massima efficienza possibile per un pannello solare.

Fonte: QD Solar

La prospettiva di pannelli solari con un’efficienza del 40 % in arrivo e ancora di più in futuro potrebbe cambiare le regole del gioco per l’industria.

Pannelli solari ad alta efficienza e più durevoli potrebbero essere particolarmente utili per applicazioni esigenti come l’energia solare basata nello spazio.