Investering i Nobelpristagarnas prestationer – Kvantprickar & Nanofärger

Nobelpristagarnas historia

Nobelpriset är en av vetenskapens mest välkända utmärkelser. Det inrättades enligt Alfred Nobels testamente för att belöna dem som ”har gjort mänskligheten den största nyttan” inom fysik, kemi, fysiologi eller medicin, litteratur och fred. Formuleringen avser Nobels vilja; priserna tilldelas ofta långt efter själva upptäckten.

Sveriges riksbank instiftade senare priset i ekonomisk vetenskap till Alfred Nobels minne. Det ingick inte i Nobels ursprungliga testamente.

Flera svenska institutioner utser pristagarna i de vetenskapliga ämnena och litteratur. Fredspriset utses av Norska Nobelkommittén.

Arvfrågor

En ofta återberättad historia säger att Alfred Nobel påverkades av en felaktig dödsruna efter sin brors död. Berättelsens detaljer och dess betydelse för testamentet är osäkra. Nobel uppfann dynamit och arbetade även med andra sprängämnen; dynamit är inte samma sak som röksvagt krut. Hans industriella verksamhet omfattade också Bofors. Testamentet uttryckte en önskan att belöna insatser för mänskligheten.

Nobelpriset

Nobels förmögenhet förvaltas för att finansiera priserna och Nobelstiftelsens verksamhet. Priset omfattar medalj, diplom och ett penningbelopp. Under den period som artikeln avser var beloppet 11 miljoner svenska kronor per helt pris; belopp och valutavärde kan ändras.

Källa: Britannica

Priset kan delas mellan flera personer, ofta två eller tre inom vetenskapliga ämnen. Det innebär inte att alla andra bidragsgivare till ett forskningsfält blir pristagare.

Genom åren har Nobelprisen uppmärksammat både grundläggande och praktiskt betydelsefulla upptäckter, däribland radioaktivitet, antibiotika, röntgenstrålning och PCR, samt forskning om energikällan i stjärnor, elektronens laddning, atomstruktur och suprafluiditet.

Mikroskopiska färger

Ett materials färg beror på hur det absorberar, sprider och avger ljus. Solljus innehåller många våglängder; vilka som når ögat påverkar den uppfattade färgen.

Källa: DataColors

I mycket små halvledarkristaller kan kvantinneslutning förändra elektronernas tillåtna energitillstånd. Därför kan partiklarnas storlek påverka deras absorption och ljusemission, även om sammansättningen är densamma.

Detta beskrivs med kvantmekanik, bland annat Schrödingerekvationen , som används för att beräkna kvantsystems tillstånd. Våg- och partikelegenskaper kan inte likställas med klassiska små kulor.

Herbert Fröhlich diskuterade redan 1937 hur elektronernas beteende i små partiklar skulle skilja sig från det i större material. Begränsat utrymme förändrar energinivåerna; det är inte bara en mekanisk sammanpressning av elektroner.

Eftersom ljusets växelverkan med elektronerna avgör de optiska egenskaperna kan storleken styra färgen hos sådana nanokristaller.

Experimentella genombrott under 1980- och 1990-talen gjorde dessa idéer praktiskt användbara.

År 2023 fick Aleksej Ekimov, Louis Brus och Moungi Bawendi gemensamt Nobelpriset i kemi för upptäckten och syntesen av kvantprickar.

Källa: Nobel Prize

Kvantprickar används bland annat i bildskärmar och inom forskning. Uppgiften om en marknad på 4 miljarder dollar 2021 är en tidsbunden uppskattning, inte ett mått på dagens marknad eller rutinmässig klinisk användning.

Möjliga framtida tillämpningar omfattar avbildning av cancer med infraröda kvantprickar, solceller som utnyttjar fler delar av ljusspektrumet och nya nanofotoniska elektroniktillämpningar. Forskningsresultat måste skiljas från etablerade produkter.

Från antikt glas till kvantfysik

Glasmakare har länge kunnat framställa färgat glas med tillsatser. Modern forskning undersökte hur små partiklar och deras sammansättning ger olika färger; alla ämnen som används i moderna exempel var inte kända som sådana under antiken.

Även samma tillsats kan ge olika färg efter olika uppvärmning och avkylning, eftersom partikelstorleken förändras.

Aleksej Ekimov studerade glas med kopparklorid. Röntgenundersökningar visade att olika värmebehandling gav kopparkloridkristaller med storlekar från ungefär 2 till 30 nm. Det rörde sig inte om rena metalliska kopparpartiklar.

När kristallerna blev mindre försköts deras absorption mot blåare ljus. De större kristallerna uppvisade mer bulkliknande egenskaper.

Källa: Nobel Prize

Storleksberoende kvanteffekter hade undersökts tidigare, men Ekimovs arbete visade dem i ett relativt enkelt framställt material snarare än bara i särskilda experimentmiljöer.

Ekimov publicerade resultat 1981 i en sovjetisk tidskrift. Brus gjorde oberoende upptäckter i USA. Det är fel att säga att västvärlden fick kännedom om arbetet först efter Sovjetunionens upplösning.

Kvantprickar i vätska

Vid Bell Labs i USA, där många Nobelprisbelönade arbeten har utförts, undersökte Louis Brus hur solenergi kan driva kemiska reaktioner. Han använde små kadmiumsulfidpartiklar i lösning för att få stor reaktiv yta.

Han märkte att ljusabsorptionen ändrades med tiden. Vid närmare undersökning hade partiklarna vuxit, från ungefär 4,5 till 12,5 nm.

De större partiklarna absorberade ljus mer som vanligt kadmiumsulfid, medan de mindre hade en blåförskjuten absorption.

Källa: Nobel Prize

Kolloidala kvantprickar kunde hanteras i vätska, till skillnad från kristaller inneslutna i glas. Det öppnade möjligheter till bearbetning och nya tillämpningar.

Tidiga framställningsmetoder gav dock varierande storlekar och blandningar av olika partiklar.

För industriell användning behövdes därför bättre kontroll av storlek, yta och reproducerbarhet.

Massproduktion av kvantprickar

Moungi Bawendi började som postdoktor hos Brus 1988 och undersökte lösningsmedel, temperaturer och framställningsmetoder. Senare vid MIT utvecklade han och medarbetare en betydligt mer kontrollerad syntes:

• Reaktanter injicerades i ett varmt lösningsmedel.
  • En snabb kärnbildning skapade många små kristallgroddar samtidigt.
  • Injektionen sänkte temperaturen och bromsade fortsatt kärnbildning.
• Genom att styra temperaturen kunde forskarna därefter låta kristallerna växa till önskad storlek.
  • Den kontrollerade tillväxten gav högkvalitativa kristaller och förbättrade optiska egenskaper.

Källa: Nobel Prize

Metoden gav mer enhetliga kvantprickar och gjorde det lättare för andra forskare att producera dem och undersöka tillämpningar.

En ny dimension i materialegenskaper

Kvantprickar visar hur ett materials storlek kan styra dess egenskaper, utöver den kemiska sammansättningen.

Det moderna periodiska systemet ordnas efter atomnummer, inte atommassa. Elektronstrukturen är viktig för grundämnenas egenskaper, men kvantprickar förändrar inte själva grundämnenas identitet.

Källa: Britannica

Genom att styra nanokristallernas storlek kan man förändra bland annat bandgap och optiska egenskaper. Det är inte upptäckten av nya grundämnen eller ett helt nytt aggregationstillstånd.

Andra material med storleks- och strukturberoende egenskaper omfattar nanotuber och tvådimensionella material som grafen, borofen och goldene. De är olika materialklasser och kan inte behandlas som samma sak.

Källa: Ossila

Tillämpningar av kvantprickar

QLED

En viktig marknad är bildskärmar som använder kvantprickar, ofta marknadsförda som QLED.

I många sådana skärmar omvandlas blått ljus till rött och grönt med kvantprickar. Ljuskällan kan vara blå lysdioder, vars utveckling belönades med Nobelpriset i fysik 2014. QLED-marknadsföring innebär inte alltid att själva kvantprickarna drivs direkt elektriskt.

Kvantprickar kan också användas för att anpassa lysdioders färgspektrum och ljuskvalitet.

Optiska signaler

Kvantprickar och andra inneslutna nanokristaller studeras för optiska komponenter, bland annat signalbehandling och förstärkning. Användningen beror på material och tillverkningsmetod.

Andra kvantprickar kan framställas genom Stranski–Krastanov-tillväxt och användas i exempelvis halvledarlasrar för optisk kommunikation.

Biokemi

Kvantprickarnas tydliga fluorescens kan användas som markörer i mikroskopiska undersökningar.

Forskare kan koppla dem till biomolekyler eller målstrukturer för att följa exempelvis proteiner, DNA och virus med fluorescensmikroskopi. Bindningens specificitet måste kontrolleras.

Källa: Sigma Aldrich

Medicin

Kvantprickar undersöks också för tumöravbildning genom koppling till molekyler som söker sig till vissa cellmarkörer. De binder inte nödvändigtvis uteslutande till cancerceller.

Källa: Degruyter

Fototermisk och fotodynamisk behandling är andra forskningsområden: ljusabsorption kan ge värme eller reaktiva ämnen som skadar tumörceller. Detta är inte en generellt etablerad klinisk behandling med alla typer av kvantprickar.

Säkerhet, nedbrytning, ansamling och utsöndring måste utredas. Vissa material innehåller giftiga metaller, och även kadmiumfria partiklar behöver biologisk säkerhetsprövning.

Kemisk katalys

Brus undersökte ljusdrivna kemiska reaktioner. Kvantprickar kan ha användning som fotokatalytiska material eller delar av katalytiska system.

Genom att absorbera ljus kan de bidra till reaktioner som annars kräver andra energikällor eller sker långsammare.

Källa: ACS

Exempel på forskning är spjälkning av vatten för att framställa vätgas, reduktion av CO2 till kolhaltiga föreningar och andra fotokemiska reaktioner.

Kolbaserade kvantprickar är en egen grupp nanomaterial. Kolnanotuber, fullerener och grafen är inte automatiskt kolkvantprickar. Löslighet, toxicitet, ljusemission och möjligheten att modifiera ytan beror på den specifika strukturen.

Kvantprickar: katalytiska tillämpningar

Energi

Halvledarkvantprickars storleksberoende bandgap gör dem intressanta för solceller och kombinationer av absorberande material.

Källa: Degruyter

De kan hjälpa till att utnyttja andra våglängder, bland annat infrarött ljus. Kiselceller absorberar också synligt och nära infrarött ljus, inte bara de allra mest energirika fotonerna. Förluster beror bland annat på bandgap, värme och rekombination.

Teoretiska verkningsgrader beror på konstruktion och antaganden. Omkring 30–35% för vissa enkelövergångsceller och högre idealiserade gränser som 66% kan inte jämföras som en universell gräns för alla kvantpricksceller.

Kvantdatorer

I utvecklingen av kvantdatorer, som vi beskriver i ”Det aktuella läget för kvantdatorer”, kan kvantprickar vara en möjlig komponent.

De kan användas för att skapa kvantbitar eller bidra till lokalisering och detektion av enskilda spinn samt källor för enskilda fotoner.

Detta kräver mycket exakt tillverkning och styrning. Att vissa kolloidala kvantprickar kan produceras billigt betyder inte att storskaliga kvantdatorer redan är enkla eller billiga.

Investering i kvantprickar & nanoteknik

Bildskärmar är en viktig marknad. Samsung Electronics (SSNLF) är en stor aktör, men dess hela verksamhet är betydligt bredare än kvantprickar.

Bolaget arbetar även med minnen, halvledare, sensorer och annan elektronik. En Samsunginvestering är därför inte en ren investering i kvantprickar.

Information om mäklare för relaterade investeringar finns på securities.io, bland annat för USA, Kanada, Australien, Storbritannien, och andra länder.

Ett bredare alternativ kan vara nanoteknikfonder. Artikeln nämner ProShares Nanotechnology ETF (TINY) och den tidigare Direxion Nanotechnology ETF (TYNE). TYNE likviderades den 24 februari 2023 och var därför inte ett tillgängligt nyinvesteringsalternativ i artikelns 2024-kontext. Fondinnehav och status måste kontrolleras.

Se även vår lista över ”Tio nanoteknikaktier”.

Kvantprickar & nanoteknikföretag

1. Nanoco Group (NANO.l)

Nanoco är noterat i London under NANO och utvecklar kvantprickar och andra nanomaterial.

Bolaget är inriktat på bland annat kadmiumfria kvantprickar. Patentantalet 375 avser artikelns tidsperiod. Uppgörelsen med Samsung 2023 omfattade 150 miljoner dollar brutto, med drygt 90 miljoner netto efter kostnader enligt bolaget, inte enbart 90 miljoner i total ersättning.

Det ger en mer koncentrerad exponering mot kvantpricksteknik än ett stort diversifierat elektronikbolag, men innebär också större bolagsspecifika risker.

Nanoco arbetar med bildskärms- och sensortillämpningar samt andra möjliga användningar. Säkerhetsmärkning är en tänkbar marknad, inte automatiskt en etablerad storskalig produkt.

Källa: Nanoco

En annan inriktning är infraröda kvantprickar inom Heatwave. Möjliga sensoranvändningar omfattar:

• Biometrisk ansiktsigenkänning.
• Optiska mätningar av exempelvis syre, bilirubin och glukos, med nödvändig validering för medicinskt bruk.
• LIDAR
• Mörkerseende.

Bolaget meddelade två kommersiella produktionsorder under 2024. Detta beskriver ett tidigt kommersialiseringssteg, inte en garanti för långvarig efterfrågan.

Kadmiumfria material kan underlätta vissa tillämpningar, men frånvaro av kadmium gör inte ett nanomaterial automatiskt säkert för patienter eller bioteknik.

2. QD Solar / SunDensity Canada

QD Solar köptes i juni 2024 av amerikanska SunDensity och verksamheten blev SunDensity Canada. Förvärvet innebär inte att SunDensity ursprungligen var en kanadensisk panelproducent.

Kombinationen kan ge utvecklingsmöjligheter, men den kommersiella effekten behöver visas.

QD Solars teknik kombinerar olika absorberande material. Kvantprickar kan utnyttja infrarött ljus och perovskiter andra delar av spektrumet. Resultatet beror på den konkreta cellarkitekturen.

Källa: QD Solar

SunDensity arbetar med optiska nanobeläggningar som omvandlar inkommande ljus till ett spektrum solceller kan utnyttja bättre. Det är inte enbart ett UV-skydd som saknar ljusomvandling.

QD Solars aktiva tillvägagångssätt omfattar tandemceller med perovskit och kisel. SunDensity beskriver sin beläggningsmetod som passiv spektralomvandling. Dessa är olika men potentiellt kompletterande tekniker.

Målet om över 40% modulverkningsgrad var en utvecklingsambition vid kombinationen, inte en verifierad kommersiell modulprestanda.

Yahoo Finance

Att kombinera perovskit, optiska beläggningar och kvantprickar kan vara intressant, men det finns ingen visad universellt maximal verkningsgrad för en sådan panel.

Källa: QD Solar

Högre verkningsgrad skulle kunna påverka branschen, men mål, laboratorieresultat och färdiga moduler måste skiljas åt.

Hög verkningsgrad och hållbarhet kan vara värdefulla även för solenergi i rymden. Dessa tillämpningar kräver dessutom särskild kvalificering.