Investere i Nobelprisens prestasjoner – Kvantedråper & Nanofarger

Nobelprisens historie

Nobelprisen er den mest prestisjefylte prisen i den vitenskapelige verden. Den ble opprettet i henhold til Alfred Nobels testamente for å gi en pris “til de som, i løpet av det foregående året, har gitt den største nytten for menneskeheten” innen fysikk, kjemi, fysiologi eller medisin, litteratur og fred.

Et sjette pris ble senere opprettet for økonomisk vitenskap av Sveriges sentralbank, offisielt kalt Prisen i økonomisk vitenskap, ofte bedre kjent som Nobelprisen i økonomi.

Beslutningen om hvem som skal tilskrives prisen ligger hos flere svenske akademiske institusjoner.

Arvproblemer

Beslutningen om å opprette Nobelprisen kom til Alfred Nobel etter at han leste sin egen nekrolog, etter en feil fra en fransk avis som misforsto nyheten om brorens død. Tittelen “Dødsfaren er død” kritiserte Nobel for hans oppfinnelse av røykfrie sprengstoff, hvorav dynamitten var den mest kjente.

Oppfinnelsene hans var svært innflytelsesrike i utviklingen av moderne krigføring, og Nobel kjøpte et enormt jern‑ og stålsverk for å gjøre det til en stor våpenprodusent. Som først kjemiker, ingeniør og oppfinner innså Nobel at han ikke ønsket at arven skulle være en mann husket for å ha tjent en formue på krig og andres død.

Nobelprisen

I dag er Nobels formue lagret i et fond som investeres for å generere inntekt til å finansiere Nobelstiftelsen og den gullbelagte grønne gullmedaljen, diplomet og pengebeløpet på 11 millioner SEK (ca. 1 million dollar) som tildeles vinnerne.

Kilde: Britannica

Ofte deles Nobelpengepremien mellom flere vinnere, spesielt i vitenskapelige felt hvor det er vanlig at 2 eller 3 ledende personer bidrar sammen eller parallelt til en banebrytende oppdagelse.

Gjennom årene har Nobelprisen blitt DEN vitenskapelige prisen, som prøver å finne en balanse mellom teoretiske og svært praktiske oppdagelser. Den har belønnet prestasjoner som la grunnlaget for den moderne verden, som radioaktivitet, antibiotika, røntgenstråler, eller PCR, samt grunnleggende vitenskap, som solens energikilde, elektronladning, atomstruktur, eller superfluiditet.

Mikroskopiske farger

I hverdagen har gjenstander spesifikke farger på grunn av deres iboende egenskaper i hvordan de samhandler med lys. Sollys inneholder et spekter av farger, og når noen farger absorberes, gir dette oss ulike reflekterte farger.

Kilde: DataColors

Disse mekanismene fungerer ikke på samme måte på nanometerskalaen. Her vil kvanteeffekter som endrer hvordan elektroner er ordnet rundt atomkjernen endre hvordan et materiale absorberer lys. Dette endrer igjen fargen.

Mer presist stammer dette fra anvendelsen av Schrödinger‑likningen (SDGR ), som forutsier hvordan partikler oppfører seg på kvantenivå, hvor de både er bølger og partikler.

I 1937 forutså fysikeren Herbert Fröhlich at på grunn av Schrödinger‑likningen ville nanopartikler oppføre seg annerledes enn større partikler. Viktigst var at når partiklene blir ekstremt små, er det mindre plass for materialets elektroner, så de blir presset sammen.

Fordi samspillet mellom lys og et materiales elektroner bestemmer fargen, forutså han at kvanteeffekter kunne endre nanopartiklers farge avhengig av deres størrelse (og dermed hvor «presset» elektronene er).

Overgangen fra teorier på 1930‑tallet til praksis tok tid og ble virkelig oppnådd først på 1980‑ og 1990‑tallet, med tre forskjellige forskere som gradvis gjorde det mulig.

I 2023 mottok de samlet Nobelprisen i kjemi for arbeidet som førte til oppdagelsen av såkalte «kvantedråper».

Kilde: Nobel Prize

I dag brukes kvantedråper i medisin, skjermteknologi og QLED‑produksjon, og representerte et marked på 4 milliarder dollar i 2021.

De kan bli avgjørende i mange flere anvendelser, fra kreftdeteksjon med infrarøde kvantedråper, til å skape panchromatiske solsystemer eller åpne nye muligheter i elektronikkproduksjon med nanofotonikk.

Fra antikk glass til kvantefysikk

I moderne tid oppdaget forskere på nytt noe glassblåsere har kjent siden antikken: det er mulig å lage farget glass i ulike nyanser ved å tilsette urenheter som sølv, gull og kadmium.

Mer interessant er at det samme tilførte elementet kan gi forskjellige farger avhengig av hvordan glasset varmes opp og avkjøles.

Aleksey Yekimov, den første vinneren av denne Nobelprisen, begynte å analysere farget glass med et lysanalyseverktøy brukt i halvlederindustrien. Ved hjelp av røntgen fant han at glass farget med kobberklorid, produsert med ulike oppvarmingstider, hadde varierende kobberpartikkelstørrelser fra 2 nm til 30 nm.

Et fascinerende fenomen var at mens store kobberpartikler oppførte seg «normalt», ble lyset de absorberte blåere jo mindre partiklene var.

Kilde: Nobel Prize

Dette var ikke første gang et størrelsesavhengig kvanteeffekt ble observert, men første gang det ble produsert med en relativt enkel produksjonsprosess, i stedet for ekstreme forhold som ultrahøy vakuum og temperaturer nær det absolutte nullpunkt.

Yekimov publiserte resultatene i et sovjetisk vitenskapelig tidsskrift, og oppdagelsen nådde ikke vestlige forskere før Sovjetunionens fall. Så, parallelt, gjorde vestlige forskere også oppdagelser som førte til oppfinnelsen av kvantedråper.

Suspenderte kvantedråpende partikler

På Bell Labs i USA, et inkubator for minst 10 Nobelpriser, studerte Louis Brus hvordan man kan bruke solenergi til å fremkalle kjemiske reaksjoner. Han brukte kadmiumsulfidpartikler i en løsning og produserte så små partikler som mulig for å maksimere reaksjonsoverflaten.

Det han la merke til var at lysabsorpsjonen til disse partiklene endret seg over tid. Etter undersøkelser oppdaget han at de vokste over tid ved å agglomerere mindre partikler, fra 4,5 nm til 12,5 nm.

Den større partikkelen absorberte lys på den måten man forventer av kadmiumsulfid. Men mindre partikler hadde en absorpsjon som skiftet mot blått.

Kilde: Nobel Prize

Partiklene i en kolloidal suspensjon i en væske brukt av Louis Brus var potensielt mye mer nyttige enn de som var låst i glass fra Yekimov, da de kunne være lettere å masseprodusere og raffinere.

Produksjonsmetoden viste seg imidlertid svært inkonsekvent. Ikke bare var partikkelenes endelige størrelser nesten uforutsigbare, men løsningene inneholdt en blanding av flere størrelser.

Langt fra å være et rent produkt som kunne brukes i andre teknologier og i industriell skala, var det fortsatt mest en vitenskapelig kuriositet.

Masseproduksjon av kvantedråper

Moungi Bawendi var postdoktor i Louis Brus’ laboratorium i 1988. Der eksperimenterte han med alle mulige variabler for å skape konsistente kvantedråper, og testet effektene av ulike løsningsmidler, temperaturer og teknikker. Dette ga noe fremgang, men var fortsatt ikke nok for et konsistent og reproduserbart resultat.

Senere, mens han arbeidet ved MIT, fant han endelig en oppskrift som fungerte:

• De injiserte løsningsmiddelet med akkurat så mye av stoffene som var nødvendig for nøyaktig å mette løsningen.
  • Dette førte til at små krystall‑«embryoer» dannet seg samtidig.
  • Den kaldere injeksjonen tillot umiddelbar stopp av krystallveksten.
• Deretter økte de gradvis temperaturen, slik at gradvis større krystaller kunne dannes.
  • Dette trinnet ga løsningsmiddelet mulighet til å gi krystallene en jevn og glatt overflate, noe som forbedret de optiske egenskapene.

Kilde: Nobel Prize

Denne metoden resulterte i en nesten perfekt kvantedråpekrystall. Viktigere var at den var enkel å bruke, slik at flere kjemikere kunne begynne å produsere kvantedråper og undersøke potensielle anvendelser.

En revolusjonerende ny tilstand av materie

Det som gjør kvantedråper så imponerende er at de fullstendig endret hvordan vi kan bruke det periodiske systemet.

I Mendeleevs periodiske system klassifiseres elementer etter atommasse og kjemiske egenskaper. Disse egenskapene styres i stor grad av oppførselen til elektron‑skyene rundt hvert atoms kjerne.

Kilde: Britannica

Ved å endre hvordan et elements elektroner oppfører seg, ga kvantedråper i hovedsak en helt ny dimensjon til det periodiske systemet. Så oppdagelsen og masseproduksjonen av kvantedråper er lik oppdagelsen av helt nye materialer med nye elektriske og kjemiske egenskaper.

Dette minner litt om andre materialer med unike egenskaper, som nanotuber eller de voksende mengdene av potensielt sivilisasjonsendrende 2D‑materialer som grafen, borofen og gull‑grafen.

Kilde: Ossila

Anvendelser av kvantedråper

QLED

En av de største nåværende anvendelsene av kvantedråper er QLED‑teknologi (Quantum dot LED).

I denne teknologien omdanner kvantedråper blått lys til rødt eller grønt, noe som gjør det mulig å lage skjermer med levende farger ved kun én lyskilde (det blå lyset emitteres av blå‑LED, en oppdagelse belønnet med Nobelprisen i 2014, som vi tidligere har dekket).

Kvantedråper brukes også til å forbedre lyset fra LED‑er ved å gjøre det kaldere lys til en mer behagelig farge.

Optisk signal

Mens de fleste kvantedråper i dag bruker den løsningsbaserte metoden fra Brus & Bawendi, brukes innfelte krystaller oppdaget av Yekimov fortsatt, for eksempel til signalforsterkning i fiber‑optisk kommunikasjon.

Kvantedråper produsert med en annen metode ble oppdaget senere (Stranski‑Krastanov‑vekstmetoden) og brukes for eksempel i kvantedråpelaser for optisk kommunikasjon.

Biokjemi

På grunn av sine svært unike og distinkte farger, kan kvantedråper brukes som markører for å spore ting på mikroskopisk nivå.

En slik anvendelse er at biokjemikere fester kvantedråper til biomolekyler som virus, DNA eller proteiner, slik at de kan spore deres bevegelse og opphopning med et enkelt fluorescensmikroskop.

Kilde: Sigma Aldrich

Medisin

På grunn av deres bildediagnostiske potensial, kan kvantedråper brukes til å spore tumorvev i kroppen ved å binde kvantedråpene til molekyler som kun binder seg til kreftceller.

Kilde: Degruyter

Et fremvoksende medisinsk felt som bruker kvantedråper og deres evne til å «spotte» kreft er fototerapi. Her bruker leger kvantedråper til å absorbere lys og produsere enten varme eller reaktive kjemikalier som drepper omkringliggende tumorceller.

Imidlertid kreves mer forskning for å bruke kvantedråper rutinemessig i medisin, da de kan forårsake uønskede bivirkninger, som skade på friske celler, nedbrytning eller agglomerasjon i kroppen, og dårlig utskillelse via nyrene.

Kjemiske katalysatorer

Oppdagelsen av kvantedråper startet med Louis Brus’ søken etter bedre katalysatorer, forbindelser som kan akselerere eller muliggjøre ellers langsomme kjemiske reaksjoner.

Og det kan fortsatt være en av de viktigste anvendelsene av kvantedråper, takket være deres evne til å absorbere lys for å drive kjemiske reaksjoner som ellers ikke ville skje.

Kilde: ACS

Dette kan brukes til å spalte vann i hydrogen, redusere CO₂ til hydrokarbonforbindelser, og øke andre kjemiske reaksjoner.

Karbonnanorør, fullerener og grafen er karbon‑kvantedråper som ofte brukes som fotokatalysatorer på grunn av deres avanserte egenskaper som vannløselighet, justerbar fotoluminescens, lav biologisk toksisitet og enkel overflatefunksjonalisering.

Kvantedråper: katalyse‑anvendelser

Energier

Fordi kvantedråper i bunn og grunn er et halvledermateriale, med variable båndgap avhengig av størrelse, har de stort potensial for bruk i bedre solceller.

Kilde: Degruyter

Hovedfordelen kvantedråper kan gi solceller er at de kan utvide solspektrummet som kan konverteres til energi (silisiumsolceller konverterer kun de høyeste energifotonene, og «mister» 70‑75 % av solens energi).

Dermed, mens konvensjonelle solceller sannsynligvis vil nå en maksimal konverteringsvirkning på 30‑35 %, har kvantedråp‑solceller et teoretisk maksimum på 66 % virkning (se nedenfor om QD Solar).

Kvantedatamaskiner

I kappløpet om å skape større og kraftigere kvantedatamaskiner (som vi undersøkte i “Den nåværende tilstanden til kvantedatabehandling“), kan kvantedråper være et verdifullt verktøy.

De kan brukes som basiskomponent i datamaskinen, Qubit. Eller de kan danne deler av systemet som brukes til å lokalisere og oppdage enkelt‑spinn, samt være en god kilde til enkelt‑fotoner.

Fordi produksjon av kvantedråper nå er godt forstått og relativt billig, kan design som baserer seg på dem bidra til å bringe kvantedatamaskiner til masseproduksjon og senke prislappen.

Investere i kvantedråper & nanoteknologi

QLED er for tiden det største markedet for kvantedråper, med det gigantiske koreanske konglomeratet Samsung (dets avdeling Samsung Electronics – SSNLF) som markedsleder.

Imidlertid er kvantedråper selv en relativt liten del av den samlede virksomheten, ettersom selskapet også er aktivt i alle slags halvledere (minne, brikker, sensorer, 5G osv.). Derfor er kvantedråper ikke egentlig kjernen i virksomheten.

Du kan investere i kvantedråper‑&‑nanoteknologiselskaper gjennom mange meglere, og du kan finne våre anbefalinger for de beste meglerne i securities.io for USA, Canada, Australia, Storbritannia, og mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å plukke kvantedråper‑&‑nanoteknologiselskaper, kan du også se på nanoteknologi‑ETF‑er som ProShares Nanotechnology ETF (TINY) eller Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) som gir en mer diversifisert eksponering for å kapitalisere på kvantedråper‑&‑nanoteknologiske aksjer.

Eller kan du se på vår liste over “Topp 10 nanoteknologiske aksjer”.

Kvantedråper & nanoteknologiselskaper

1. Nanoco Group (NANO.l)

Oppført på London Stock Exchange under ticker‑symbolet NANO, spesialiserer Nanoco seg på utvikling og produksjon av kvantedråper og andre nanomaterialer.

Selskapet er en pioner innen kadmium‑frie kvantedråper, med 375 patenter og et lisenspartnerskap med Samsung. Dette avsluttet en to‑årig rettstvist med Samsung fra 2021‑2023 om IP‑rettigheter, som til slutt resulterte i at Nanoco mottok 90 millioner dollar fra Samsung.

Dermed kan de tilby en investeringsvei i kvantedråper som ligner på Samsung, men med et sterkere fokus på akkurat denne teknologien.

Mens selskapet hovedsakelig fokuserer på LED‑applikasjoner (OLED, μLED, QD‑EL), undersøker de også nye markeder, som for eksempel sikkerhetsetiketter for sedler.

Kilde: Nanoco

En annen sektor selskapet investerer i er infrarøde kvantedråper, med Heatwave. Dette bør tillate svært presise infrarøde sensorer. Mulige anvendelser inkluderer:

• Biometrisk ansiktsgjenkjenning.
• Optisk diagnostikk (måling av O₂‑nivåer, bilirubin og glukose).
• LIDAR
• Natt‑syn.

Selskapet begynner først å kommersialisere teknologien med to kommersielle produksjonsordrer i 2024.

Den kadmium‑frie teknologien i Nanocos kvantedråper kan gi en svært solid anvendelse for medisinske og bioteknologiske formål, som vanligvis er mindre mottakelige for kvantedråper basert på tungmetaller.

2. QD Solar / SunDensity Canada

QD Solar, en utvikler av kvantedråp‑solcellepaneler og leder innen denne teknologien, ble nylig kjøpt opp av SunDensity Canada, en produsent av solcellepaneler.

Denne oppkjøpet kan bli en spill‑endrer innen solenergi.

På den ene siden gjør QD‑solcelleteknologi det mulig å oppnå høyere effektivitet ved bruk av kvantedråper. Dette gjør at panelet kan utnytte infrarødt bølgelengde for å produsere strøm, med perovskitt som absorberer de høy‑energi‑fotonene i det synlige spekteret.

Kilde: QD Solar

På den andre siden bruker SunDensity‑teknologien spesielle nano‑belegg for å beskytte solcellepaneler mot UV‑indusert nedbrytning, i stedet for å konvertere UV‑lys til mer strøm.

QD Solars «aktive tilnærming» oppnås ved å legge til et perovskittlag i tandem med en silisium‑PV‑celle. SunDensity sin «passive tilnærming» innebærer belegg som effektivt forskyver energien fra innkommende sollys til et mer brukbart spekter for solcellepaneler å absorbere.

Teknologiene er komplementære med potensial til å oppnå mer enn 40 % modul‑effektivitet når de kombineres.

Yahoo Finance

Så kombinasjonen av å bruke perovskitt (høyt‑energi‑synlige fotoner), nano‑belegg (UV‑lys) og kvantedråper (infrarøde fotoner) i samme solcellepanel kan gi den maksimale effektiviteten som er mulig for et solpanel.

Kilde: QD Solar

Utsiktene til kommende solcellepaneler med 40 % effektivitet og enda høyere senere kan bli en spill‑endrer for industrien.

Høyeffektivitet og mer holdbare solcellepaneler kan spesielt være verdifulle for krevende anvendelser som solenergi i verdensrommet.