Investeren in Nobelprijsprestaties – Quantum Dots & Nanokleuren

Geschiedenis van de Nobelprijs

De Nobelprijs is de meest prestigieuze onderscheiding in de wetenschappelijke wereld. Hij werd opgericht volgens het testament van de heer Alfred Nobel om een prijs toe te kennen “aan degenen die gedurende het voorgaande jaar de grootste bijdrage aan de mensheid hebben geleverd” in de fysica, scheikunde, fysiologie of geneeskunde, literatuur en vrede.

Later werd een zesde prijs gecreëerd voor economische wetenschappen door de Zweedse centrale bank, officieel de Prijs voor Economische Wetenschappen genoemd, vaak beter bekend als de Nobelprijs voor Economie.

De beslissing over aan wie de prijs wordt toegekend, ligt bij meerdere Zweedse academische instellingen.

Erfeniszorgen

De beslissing om de Nobelprijs op te richten kwam bij Alfred Nobel nadat hij zijn eigen overlijdensbericht had gelezen, na een fout van een Franse krant die het nieuws over de dood van zijn broer verkeerd begreep. Met de titel “De Handelaar in de Dood Is Dood” bestrafte het Franse artikel Nobel voor zijn uitvinding van rookloze explosieven, waarvan dynamiet de bekendste was.

Zijn uitvindingen waren zeer invloedrijk bij het vormgeven van de moderne oorlogsvoering, en Nobel kocht een enorme ijzer- en staalfabriek om deze om te vormen tot een grote wapenfabrikant. Omdat hij eerst chemicus, ingenieur en uitvinder was, besefte Nobel dat hij niet wilde dat zijn erfenis zou bestaan uit een man die herinnerd wordt omdat hij een fortuin verdiende met oorlog en de dood van anderen.

Nobelprijs

Tegenwoordig wordt Nobel’s fortuin bewaard in een fonds dat belegd is om inkomsten te genereren voor de financiering van de Nobelstichting en de vergulde groene gouden medaille, het diploma en de geldprijs van 11 miljoen SEK (ongeveer $1 miljoen) die aan de winnaars wordt toegekend.

Bron: Britannica

Vaak wordt het Nobelprijsgeld verdeeld over meerdere winnaars, vooral in wetenschappelijke vakgebieden waar het gebruikelijk is dat 2 of 3 vooraanstaande figuren samen of parallel bijdragen aan een baanbrekende ontdekking.

In de loop der jaren is de Nobelprijs de wetenschappelijke prijs geworden, waarbij geprobeerd wordt een balans te vinden tussen theoretische en zeer praktische ontdekkingen. Het heeft prestaties beloond die de fundamenten van de moderne wereld hebben gelegd, zoals radioactiviteit, antibiotica, röntgenstralen, of PCR, evenals fundamentele wetenschap, zoals de energiebron van de zon, de elektronenlading, atoomstructuur, of superfluïditeit.

Microscopische Kleuren

In het dagelijks leven hebben voorwerpen specifieke kleuren vanwege hun intrinsieke eigenschappen in hoe ze met licht interageren. Zonlicht bevat een spectrum van kleuren, en wanneer sommige kleuren worden geabsorbeerd, geeft dit ons verschillende gereflecteerde kleuren.

Bron: DataColors

Deze mechanismen werken niet op dezelfde manier op nanometerschaal. Hier zullen kwantumeffecten die de rangschikking van elektronen rond de kern van een atoom veranderen, de manier waarop een materiaal licht absorbeert beïnvloeden. Op zijn beurt wijzigt dit de kleur.

Meer precies is het afgeleid van de toepassing van de Schrödingervergelijking, die voorspelt hoe deeltjes zich gedragen op kwantumschaal, waar ze zowel een golf als een deeltje zijn.

In 1937 voorspelde de natuurkundige Herbert Fröhlich dat, vanwege de Schrödingervergelijking, nanodeeltjes zich anders zouden gedragen dan grotere deeltjes. Het belangrijkste is dat wanneer deeltjes extreem klein worden, er minder ruimte is voor de elektronen van het materiaal, waardoor ze samengedrukt worden.

Omdat de interactie van licht met de elektronen van een materiaal de kleur bepaalt, voorspelde dit dat kwantumeffecten de kleur van nanodeeltjes kunnen veranderen afhankelijk van hun grootte (en dus hoe “samengedrukt” hun elektronen zijn).

Het overgaan van theorieën uit de jaren 30 naar de praktijk zou tijd kosten en werd pas echt gerealiseerd in de jaren 80 en 90, met drie verschillende wetenschappers die het geleidelijk mogelijk maakten.

In 2023 ontvingen zij gezamenlijk de Nobelprijs voor Scheikunde voor hun werk dat leidde tot de ontdekking van de zogenaamde “quantum dots”.

Bron: Nobel Prize

Tegenwoordig worden quantum dots gebruikt in de geneeskunde, schermen en QLED-productie, wat in 2021 een markt van $4 miljard vertegenwoordigde.

Ze kunnen cruciaal worden in nog veel meer toepassingen, van kankerdetectie met infrarode quantum dots, tot het creëren van pancromatische zonnestelsels of het openen van nieuwe mogelijkheden in elektronische productie met nanofotonica.

Van Oud Glas tot Kwantumfysica

In het moderne tijdperk herontdekten wetenschappers iets dat glazenaars sinds de oudheid wisten: het is mogelijk om gekleurd glas met verschillende tinten te maken door onzuiverheden zoals zilver, goud en cadmium aan het glas toe te voegen.

Interessanter nog, hetzelfde toegevoegde element kon verschillende kleuren genereren, afhankelijk van hoe het glas werd verwarmd en gekoeld.

Aleksey Yekimov, de eerste winnaar van deze Nobelprijs, begon gekleurd glas te analyseren met een lichtanalyse-instrument dat in de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt. Met behulp van röntgen ontdekte hij dat glas getint met koperschloride, geproduceerd met verschillende verwarmingsduur, verschillende koperdeeltjesgroottes zou hebben, variërend van 2 nm tot 30 nm.

Een fascinerend fenomeen was dat terwijl grote koperdeeltjes zich “normaal” gedroegen, hoe kleiner de deeltjes, hoe blauwer het licht dat ze absorbeerden.

Bron: Nobel Prize

Dit was niet de eerste keer dat een dergelijk grootte‑afhankelijk kwantumeffect werd waargenomen, maar wel de eerste keer dat het werd geproduceerd met een relatief eenvoudig productieproces, in plaats van extreme omstandigheden zoals ultra‑hoge vacuüm en temperaturen dicht bij het absolute nulpunt.

Yekimov publiceerde zijn resultaten in een Sovjet wetenschappelijk tijdschrift, en zijn ontdekking bereikte westerse wetenschappers pas na de val van de Sovjet‑Unie. Tegelijkertijd deden westerse wetenschappers ook ontdekkingen die leidden tot de uitvinding van quantum dots.

Gesuspendeerde Quantum Dot Deeltjes

Bij Bell Labs in de VS, een broedplaats voor minstens 10 Nobelprijzen, bestudeerde Louis Brus hoe zonne‑energie kon worden gebruikt om chemische reacties te produceren. Hij gebruikte cadmiumsulfide‑deeltjes in een oplossing en produceerde zo klein mogelijke deeltjes om het reactievlak te maximaliseren.

Wat hij opmerkte, was dat de lichtabsorptie van deze deeltjes in de loop van de tijd veranderde. Na onderzoek ontdekte hij dat ze in de loop van de tijd groeiden door samenklonteren van kleinere deeltjes, van 4,5 nm naar 12,5 nm.

Het grotere deeltje absorbeerde licht zoals je van cadmiumsulfide zou verwachten. Maar kleinere deeltjes hadden een absorptie die naar blauw verschoven.

Bron: Nobel Prize

De deeltjes in een colloïdale suspensie in een vloeistof die Louis Brus gebruikte, waren potentieel veel bruikbaarder dan die in glas van Yekimov, omdat ze gemakkelijker in massa konden worden geproduceerd en verfijnd.

Echter, de productiemethode bleek zeer inconsistent. Niet alleen waren de uiteindelijke groottes van de deeltjes bijna onvoorspelbaar, maar de oplossingen bevatten een mengsel van meerdere groottes.

Ver van een zuiver product dat in andere technologieën en op industriële schaal kon worden gebruikt, bleef het grotendeels een wetenschappelijke curiositeit.

Massaproductie van Quantum Dots

Moungi Bawendi was een postdoctorale onderzoeker in het laboratorium van Louis Brus in 1988. Daar experimenteerde hij met alle mogelijke variabelen om consistente quantum dots te creëren, waarbij hij de effecten van verschillende oplosmiddelen, temperaturen en technieken testte. Dit leverde enige vooruitgang op, maar was nog niet voldoende voor een consistent en reproduceerbaar resultaat.

Later, terwijl hij bij MIT werkte, vond hij uiteindelijk een recept dat werkte:

• Ze injecteerden het oplosmiddel met precies zoveel van de stoffen als nodig was om de oplossing nauwkeurig te verzadigen.
  • Dit leidde tot het gelijktijdig vormen van kleine kristal‑“embryo’s”.
  • De koudere injectie maakte het mogelijk de kristalgroei onmiddellijk te stoppen.
• Vervolgens verhoogden ze geleidelijk de temperatuur, waardoor geleidelijk grotere kristallen konden vormen.
  • Deze stap stelde het oplosmiddel in staat de kristallen een glad en gelijkmatig oppervlak te geven, waardoor de resulterende optische eigenschappen werden verbeterd.

Bron: Nobel Prize

Deze methode leverde een bijna perfect quantum‑dot‑kristal op. Belangrijker nog, het was eenvoudig te gebruiken, zodat meer chemici konden beginnen met het produceren van quantum dots en het onderzoeken van potentiële toepassingen.

Een Revolutionaire Nieuwe Toestand van Materie

Wat quantum dots zo indrukwekkend maakt, is dat ze volledig hebben veranderd hoe we het periodiek systeem van elementen kunnen gebruiken.

In het periodiek systeem van Mendelejev worden elementen geclassificeerd op basis van hun atoommassa en chemische eigenschappen. Deze eigenschappen worden voornamelijk bepaald door het gedrag van de elektronenwolken rond de kernen van elk atoom.

Bron: Britannica

Door de manier waarop de elektronen van een element zich gedragen te wijzigen, hebben quantum dots in feite een geheel nieuwe dimensie toegevoegd aan het periodiek systeem. De ontdekking en massaproductie van quantum dots is daarmee vergelijkbaar met de ontdekking van volledig nieuwe materialen, met nieuwe elektrische en chemische eigenschappen.

Dit doet enigszins denken aan andere materialen met unieke eigenschappen, zoals nanobuizen of de groeiende reeksen van potentieel beschavingsveranderende 2D‑materialen zoals grafeen, borofeen en goldene.

Bron: Ossila

Toepassingen van Quantum Dots

QLED

Een van de grootste huidige toepassingen van quantum dots is QLED‑technologie (Quantum dot LED).

Hier veranderen quantum dots blauw licht in rood of groen, waardoor schermen met levendige kleuren kunnen worden gemaakt met slechts één lichtbron (het blauwe licht wordt uitgezonden door blauw licht‑LED, een ontdekking die in 2014 met een Nobelprijs werd bekroond en die we eerder hebben behandeld).

Quantum dots worden ook gebruikt om het licht van LED’s te verbeteren door het koele licht om te zetten in een aangenamere kleur.

Optisch Signaal

Hoewel de meeste quantum dots tegenwoordig de op oplosmiddel gebaseerde oplossing van Brus & Bawendi gebruiken, worden ingesloten kristallen die door Yekimov zijn ontdekt nog steeds gebruikt, bijvoorbeeld voor signaalversterking in glasvezelcommunicatiesystemen.

Quantum dots die later met een andere methode werden geproduceerd (Stranski‑Krastanov‑groeimethode) en worden bijvoorbeeld gebruikt in quantum‑dot‑lasers voor optische communicatie.

Biochemie

Door hun zeer unieke en onderscheidende kleuren kunnen quantum dots worden gebruikt als markeringen om zaken op microscopisch niveau te volgen.

Een dergelijke toepassing is dat biochemici quantum dots aan biomoleculen zoals virussen, DNA of eiwitten bevestigen, waardoor ze hun beweging en ophoping kunnen volgen met een eenvoudige fluorescentiemicroscoop.

Bron: Sigma Aldrich

Geneeskunde

Vanwege hun beeldvormingspotentieel kunnen quantum dots worden gebruikt om tumorgewebe in het lichaam te volgen door de quantum dots te koppelen aan moleculen die alleen aan kankercellen binden.

Bron: Degruyter

Een opkomend medisch gebied dat quantum dots en hun vermogen om kanker “te lokaliseren” gebruikt, is fototherapie. Hierbij gebruiken artsen de quantum dots om licht te absorberen en ofwel warmte of reactieve chemicaliën te produceren die de omliggende tumorcellen doen afsterven.

Echter, meer onderzoek is nodig om quantum dots routinematig in de geneeskunde te gebruiken, omdat ze ongewenste bijwerkingen kunnen veroorzaken, zoals schade aan gezonde cellen, afbraak of agglomeratie in het lichaam, en een slechte uitscheiding via de nieren.

Chemische Catalysatoren

De ontdekking van quantum dots begon met de zoektocht van Louis Brus naar betere katalysatoren, verbindingen die langzame chemische reacties kunnen versnellen of mogelijk maken.

En het zou nog steeds een belangrijke toepassing van quantum dots kunnen zijn, dankzij hun vermogen om licht te absorberen om chemische reacties aan te drijven die anders niet zouden plaatsvinden.

Bron: ACS

Dit zou kunnen worden gebruikt om water te splitsen in waterstof, CO2 te reduceren tot koolwaterstofverbindingen, en andere chemische reacties te stimuleren.

Koolstofnanobuizen, fullereen en grafeen zijn koolstof‑quantumdots die vaak worden gebruikt als fotokatalysatoren vanwege hun geavanceerde eigenschappen zoals wateroplosbaarheid, afstelbare fotoluminescentie, lage biologische toxiciteit en gemakkelijke functionalisatie van het oppervlak.

Quantum dots: catalysis applications

Energie

Omdat quantum dots uiteindelijk een halfgeleidermateriaal zijn, met variabele bandgap afhankelijk van hun grootte, hebben ze een groot potentieel voor toepassing bij het maken van betere zonnecellen.

Bron: Degruyter

Het belangrijkste voordeel dat quantum dots aan zonnecellen zouden bieden, is dat ze het zonnespectrum dat in energie kan worden omgezet kunnen verbreden (siliciumzonnecellen zetten alleen de hoogst‑energetische fotonen om in stroom, waardoor 70‑75 % van de zonne‑energie “ontbreekt”).

Dus, terwijl conventionele zonnecellen waarschijnlijk een maximale conversie‑efficiëntie van 30‑35 % zullen bereiken, hebben quantum‑dot‑zonnecellen een theoretisch maximum van 66 % efficiëntie (zie hieronder over QD Solar).

Quantumcomputers

In de race om grotere en krachtigere quantumcomputers te creëren (waar we in “The Current State of Quantum Computing ” onderzoek naar deden), kunnen quantum dots een waardevol hulpmiddel zijn.

Ze zouden kunnen worden gebruikt als het basiselement van de computer, de qubit. Of ze zouden onderdelen van het systeem kunnen vormen die enkele spin lokaliseren en detecteren, en tevens een goede bron van enkele fotonen zijn.

Omdat de productie van quantum dots nu goed begrepen en relatief goedkoop is, kunnen ontwerpen die hierop steunen helpen om quantumcomputers op massaproductieschaal te brengen en hun prijs te verlagen.

Investeren in Quantum Dots & Nanotechnologie

QLED is momenteel de grootste markt voor quantum dots, waarbij het gigantische Koreaanse conglomeraat Samsung (zijn tak Samsung Electronics – SSNLF) de marktleider is.

Quantum dots vormen echter zelf een relatief klein deel van de totale onderneming, aangezien het bedrijf ook actief is in allerlei halfgeleiders (geheugen, chips, sensoren, 5G, enz.). Daarom zijn quantum dots niet echt de kern van het bedrijf.

Je kunt in quantum dots & nanotech bedrijven investeren via vele brokers, en je kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Als je niet geïnteresseerd bent in het selecteren van quantum‑dot‑ en nanotech‑bedrijven, kun je ook kijken naar nanotechnologie‑ETF’s zoals de ProShares Nanotechnology ETF (TINY) of de Direxion Nanotechnology ETF (TYNE), die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van quantum‑dot‑ en nanotech‑aandelen.

Of je kunt onze lijst van de “Top 10 Nanotechnology Stocks” bekijken.

Quantum Dots & Nanotechnologiebedrijven

1. Nanoco Group (NANO.l)

Genoteerd aan de London Stock Exchange onder het NANO‑ticker, specialiseert Nanoco zich in de ontwikkeling en productie van quantum dots en andere nanomaterialen.

Het bedrijf is een pionier op het gebied van cadmium‑vrije quantum dots, met 375 patenten en een licentie‑partnerschap met Samsung. Dit beëindigde een tweejarige rechtszaak met Samsung van 2021‑2023 over intellectuele‑eigendom, wat uiteindelijk resulteerde in een betaling van $90 miljoen aan Nanoco door Samsung.

Zo biedt het een manier om in quantum dots te investeren die vergelijkbaar is met Samsung, maar met een sterkere focus op deze technologie in het bijzonder.

Hoewel het bedrijf zich voornamelijk richt op LED‑toepassingen (OLED, μLEDs, QD‑EL), onderzoekt het ook nieuwe markten, zoals bijvoorbeeld beveiligingsetikettering voor bankbiljetten.

Bron: Nanoco

Een andere sector waarin het bedrijf investeert, zijn infrarode quantum dots, met Heatwave. Dit zou zeer precieze infraroodsensoren moeten mogelijk maken. Mogelijke toepassingen zijn:

• Biometrische gezichtsherkenning.
• Optische diagnostiek (meting van O2‑niveaus, bilirubine en glucose).
• LIDAR
• Nachtzicht.

Het bedrijf begint pas in 2024 met de commercialisering van zijn technologie met twee commerciële productie‑orders.

De cadmium‑vrije technologie van Nanoco‑quantum dots kan een zeer solide toepassing bieden voor medische en biotechnologische toepassingen, die doorgaans minder ontvankelijk zijn voor op zware metalen gebaseerde quantum dots.

2. QD Solar / SunDensity Canada

QD Solar, een ontwikkelaar van quantum‑dot‑zonnepanelen en een leider in deze technologie, werd recentelijk overgenomen door SunDensity Canada, een producent van zonnepanelen.

Deze overname zou een keerpunt kunnen betekenen in de zonne‑technologie.

Aan de ene kant maakt QD‑solartechnologie hogere efficiëntie mogelijk door het gebruik van quantum dots. Dit stelt het paneel in staat infrarode golflengten te benutten om elektriciteit te produceren, waarbij perovskiet wordt gebruikt om de hoogenergetische fotonen van het zichtbare spectrum te absorberen.

Bron: QD Solar

Aan de andere kant gebruikt SunDensity‑technologie speciale nano‑coatings om zonnepanelen te beschermen tegen UV‑geïnduceerde degradatie, in plaats van UV‑licht om te zetten in meer elektriciteit.

De “actieve aanpak” van QD Solar wordt bereikt door het toevoegen van een perovskietlaag in combinatie met een silicium‑PV‑cel. De “passieve aanpak” van SunDensity omvat coatings die de energie van invallend zonlicht efficiënt verschuiven naar een beter bruikbaar bereik voor zonnepanelen om te absorberen.

De technologieën zijn complementair met het potentieel om, wanneer ze worden gecombineerd, meer dan 40 % module‑efficiëntie te behalen.

Yahoo Finance

Dus de combinatie van het gebruik van perovskiet (hoogenergetische zichtbare fotonen), nano‑coatings (UV‑licht) en quantum dots (infrarode fotonen) in hetzelfde zonnepaneel zou de maximale haalbare efficiëntie van een zonnepaneel kunnen opleveren.

Bron: QD Solar

Het vooruitzicht van aankomende zonnepanelen met 40 % efficiëntie en later nog meer, zou een keerpunt kunnen betekenen voor de industrie.

Zonnepanelen met hoge efficiëntie en meer duurzaamheid kunnen vooral waardevol zijn voor veeleisende toepassingen zoals ruimtegebaseerde zonne‑energie.