Nobel Ödüllü Başarılara Yatırım – Kuantum Noktaları ve Nano Ölçekte Renkler

Nobel Ödülü Tarihi

Nobel Ödülü bilim dünyasının en saygın ödüllerindendir. Alfred Nobel’in vasiyeti uyarınca, insanlığa en büyük yararı sağlayanlara fizik, kimya, fizyoloji veya tıp, edebiyat ve barış alanlarında verilmek üzere oluşturulmuştur.

İsveç merkez bankası daha sonra Alfred Nobel anısına ekonomi bilimleri ödülünü oluşturdu. Genellikle Nobel Ekonomi Ödülü olarak anılan bu ödül, Nobel’in vasiyetindeki beş ödülden farklı bir kökene sahiptir.

Ödül sahiplerini ilgili İsveç kurumları belirler; barış ödülüne ise Norveç Nobel Komitesi karar verir.

Miras Endişeleri

Alfred Nobel’in mirasıyla ilgili sık anlatılan bir öyküye göre, bir Fransız gazetesi kardeşinin ölümünü yanlış anlayarak Nobel’in öldüğünü yazmış ve onu «ölüm taciri» diye nitelemiştir. Bu öykünün belgelenmesi sınırlıdır; vasiyetinin tek kesin nedeni olarak sunulmamalıdır.

Nobel dinamit ve dumansız barut gibi farklı patlayıcılar geliştirdi. Dinamit dumansız barutla aynı şey değildir. Silah sanayisiyle de bağlantıları olan kimyager, mühendis ve mucit, servetini insanlığa yarar sağlayan başarıları ödüllendirmek için bıraktı.

Nobel Ödülü

Nobel’in bıraktığı sermaye, vakfın faaliyetlerini ve ödülleri finanse etmek amacıyla yatırımlarda değerlendirilir. Ödül madalya, diploma ve para ödülünden oluşur. 2023 ve 2024 için tam ödül tutarı 11 milyon İsveç kronuydu; dolar karşılığı döviz kuruna göre değişir.

Kaynak: Britannica

Özellikle bilim dallarında ödül, bir keşfe birlikte veya bağımsız olarak katkı sağlayan iki ya da üç kişi arasında paylaşılabilir.

Nobel Ödülleri modern dünyanın gelişimine katkıda bulunan birçok başarıyı ödüllendirmiştir. Bunlar arasında radyoaktivite, antibiyotikler, X-ışınları veya PCR gibi uygulamaya dönük keşiflerin yanı sıra güneşin enerji kaynağı, elektron yükü, atomik yapı veya süperakışkanlık gibi temel fizik konuları da bulunur.

Nano Ölçekte Renkler

Gündelik hayatta malzemelerin rengi, ışıkla nasıl etkileştiklerine bağlıdır. Güneş ışığı çeşitli dalga boyları içerir. Bazıları soğurulurken diğerlerinin yansıması veya geçmesi gördüğümüz rengi belirler.

Kaynak: DataColors

Nanometre ölçeğinde kuantum sınırlanması önem kazanır. Elektronların erişebildiği enerji düzeyleri parçacık boyutuna bağlı olarak değişebilir; bu da ışığın soğurulmasını ve yayılmasını etkiler.

Bu davranışın açıklanmasında Schrödinger denklemi kullanılır. Kuantum ölçeğinde parçacıkların davranışında hem dalga hem parçacık özellikleri görülür.

Fizikçi Herbert Fröhlich 1937’de çok küçük parçacıkların elektronik özelliklerinin boyuta bağlı olabileceğini öngördü. Elektronların hareket edebildiği alan daraldığında enerji düzeyleri değişir; mesele yalnızca elektronların fiziksel olarak birbirine sıkışması değildir.

Işığın malzemedeki elektronlarla etkileşimi rengi belirlediğinden, bu kuram nanoparçacıkların boyutlarına göre farklı renk özellikleri gösterebileceğini ortaya koyuyordu.

Bu kuramsal fikirlerden denetlenebilir üretime geçiş zaman aldı. 1980’ler ve 1990’larda üç bilim insanı önemli aşamalar kaydetti.

2023 Nobel Kimya Ödülü, kuantum noktalarının keşfi ve sentezi için Aleksey Ekimov, Louis Brus ve Moungi Bawendi’ye verildi.

Kaynak: Nobel Prize

Kuantum noktaları ekranlar ve aydınlatma gibi alanlarda kullanılır; biyolojik görüntüleme ve tıbbi uygulamalar da araştırılmaktadır. Makalede 2021 pazarı için yaklaşık 4 milyar dolarlık bir tahmin aktarılmaktadır; bu tarihsel bir tahmindir.

Araştırılan başka uygulamalar arasında kızılötesi kuantum noktalarıyla kanserin saptanması, geniş bir ışık tayfından yararlanan güneş sistemleri ve nanofotonik sayesinde elektronikte yeni üretim seçenekleri bulunur.

Antik Camdan Kuantum Fiziğine

Cam ustaları, cama metal içeren maddeler ekleyerek farklı renkler elde etmeyi uzun zamandır biliyordu. Altın, gümüş ve daha sonraki cam teknolojilerinde kadmiyum bileşikleri bu amaçla kullanılan örneklerdir.

Aynı katkı maddesi, camın ısıtılma ve soğutulma koşullarına göre farklı renkler oluşturabilir.

Aleksey Ekimov renkli camı yarı iletken araştırmalarında kullanılan yöntemlerle inceledi. Bakır klorür içeren camda farklı ısıl işlemlerin yaklaşık 2–30 nanometrelik bakır klorür kristalleri oluşturduğunu belirledi. Bunlar metalik bakır parçacıkları değildi.

Büyük kristaller beklenen davranışı gösterirken küçük kristallerin ışık soğurması daha kısa, yani mavi dalga boylarına kayıyordu.

Kaynak: Nobel Prize

Boyuta bağlı kuantum etkileri daha önce de gözlenmişti. Ekimov’un çalışması, bu etkileri aşırı vakum veya mutlak sıfıra yakın sıcaklıklar gerektirmeyen bir cam üretim sürecinde ortaya koydu.

Ekimov sonuçlarını 1981’de bir Sovyet bilim dergisinde yayımladı. Çalışmanın Batı’ya ancak Sovyetler Birliği dağıldıktan sonra ulaştığını söylemek doğru değildir. Louis Brus da bağımsız olarak sıvı içindeki benzer etkileri araştırıyordu.

Sıvıda Asılı Kuantum Noktaları

Louis Brus, ABD’deki Bell Labs bünyesinde güneş enerjisiyle kimyasal tepkimeler gerçekleştirmeyi araştırıyordu. Çözelti içinde kadmiyum sülfür parçacıkları kullanıyor, tepkime yüzeyini büyütmek için küçük parçacıklar üretmeye çalışıyordu.

Parçacıkların ışık soğurmasının zamanla değiştiğini fark etti. İncelemeler, başlangıçta yaklaşık 4,5 nanometre olan parçacıkların zamanla büyüyerek yaklaşık 12,5 nanometreye ulaştığını gösterdi.

Büyük parçacıklar kadmiyum sülfürden beklenen ışık soğurmasını gösterirken küçük parçacıkların soğurma özellikleri maviye kayıyordu.

Kaynak: Nobel Prize

Brus’un sıvıda kolloidal süspansiyon halinde bulunan parçacıkları, cam içindeki kristallere göre işlenmesi ve başka sistemlere katılması daha kolay bir seçenek sunuyordu.

Ancak ilk üretim yöntemleri yeterince tutarlı değildi. Son boyutları denetlemek zordu ve çözeltilerde farklı büyüklükte parçacıklar birlikte bulunuyordu.

Bu nedenle ürünün teknolojik ve endüstriyel kullanımı için daha güvenilir sentez yöntemleri gerekiyordu.

Kuantum Noktalarının Kontrollü Üretimi

Moungi Bawendi 1988’de Louis Brus’un laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak çalıştı. Farklı çözücüleri, sıcaklıkları ve yöntemleri deneyerek daha tutarlı kuantum noktaları üretmeye uğraştı.

Daha sonra MIT’de, kristallerin çekirdeklenmesi ile büyümesini daha iyi denetleyen bir yöntem geliştirdi:

• Başlangıç maddeleri sıcak bir çözücüye hızla enjekte edildi.
  • Bu işlem çok sayıda küçük kristal çekirdeğinin aynı anda oluşmasını sağladı.
  • Enjeksiyonla oluşan sıcaklık düşüşü yeni çekirdek oluşumunu sınırladı.
• Sıcaklık ayarlanarak mevcut kristallerin kontrollü biçimde büyümesi sağlandı.
  • Büyüme koşulları kristallerin düzgün yüzeyler ve daha iyi optik özellikler kazanmasına yardımcı oldu.

Kaynak: Nobel Prize

Yöntem, boyutları daha düzenli ve yüksek kaliteli kuantum noktaları üretti. Başka kimyagerlerin de uygulayabilmesi, olası kullanım alanlarının araştırılmasını hızlandırdı.

Malzeme Özelliklerini Ayarlamanın Yeni Bir Yolu

Kuantum noktaları, yalnızca kimyasal bileşimi değil parçacık boyutunu da değiştirerek malzeme özelliklerinin ayarlanabileceğini gösterdi.

Modern periyodik tabloda elementler atom numarasına göre sıralanır. Kimyasal özellikleri büyük ölçüde elektron yapılarıyla ilişkilidir. Mendeleyev’in ilk tablosunda atom kütlesi önemliydi; bu, modern sıralamayla karıştırılmamalıdır.

Kaynak: Britannica

Kuantum sınırlanması, aynı kimyasal bileşimdeki parçacıkların boyutlarına bağlı olarak farklı elektronik ve optik özellikler göstermesini sağlar. Bu, yeni kimyasal elementler veya ayrı bir madde hali keşfetmek değil, malzeme tasarımına yeni bir değişken eklemektir.

Bu yaklaşım, nanotüpler veya grafen, borofen ve goldene gibi iki boyutlu malzemelerin farklı özelliklerinden yararlanılmasıyla karşılaştırılabilir.

Kaynak: Ossila

Kuantum Nokta Uygulamaları

QLED

Kuantum noktalarının büyük ticari kullanım alanlarından biri, QLED olarak pazarlanan ekranlardır.

Bu ekranlarda kuantum noktaları mavi ışığın bir bölümünü kırmızı ve yeşile dönüştürür. Mavi ışık kaynağıyla birlikte canlı renkler elde edilir. Mavi LED’in geliştirilmesi 2014 Nobel Fizik Ödülü ile onurlandırılmıştır.

Kuantum noktaları, LED aydınlatmanın renk özelliklerini düzenlemek için de kullanılabilir.

Optik İletişim

Kuantum noktaları çözelti içinde sentezlenebilir veya katı malzemelerde oluşturulabilir. Optik iletişim ve ışık yükseltme uygulamalarında farklı nanokristal sistemleri araştırılır; bunların hepsi Ekimov’un ilk cam kristalleriyle aynı teknoloji değildir.

Daha sonra geliştirilen başka bir yöntem, Stranski–Krastanov büyütme yöntemidir. Bu tür yarı iletken yapılardan optik iletişimde kullanılabilen kuantum noktalı lazerler üretilebilir.

Biyokimya

Belirgin ve ayarlanabilir floresans özellikleri, kuantum noktalarını mikroskobik yapılara yönelik işaretleyiciler olarak kullanışlı kılar.

Araştırmacılar kuantum noktalarını virüs, DNA veya proteinlerle ilişkilendirerek bunların hareketini ve birikmesini floresans mikroskoplarıyla izleyebilir.

Kaynak: Sigma Aldrich

Tıp

Kuantum noktalarının tümörle ilişkili moleküllere bağlanarak görüntüleme için kullanılması araştırılmaktadır. Hedefleme her durumda yalnızca kanser hücrelerine özgü değildir ve klinik güvenlik ayrıca değerlendirilmelidir.

Kaynak: Degruyter

Araştırılan bir başka alan fototerapidir. Kuantum noktaları ışığı soğurup ısı veya reaktif kimyasal türler üreterek tümör hücrelerine zarar vermeyi amaçlayan sistemlerde kullanılabilir. Bu, genel olarak yerleşmiş rutin bir tedavi değildir.

Tıbbi kullanım öncesinde sağlıklı hücrelere zarar, malzemenin vücutta bozulması veya birikmesi ve yeterince atılamaması gibi riskler incelenmelidir. Güvenlik, noktanın bileşimine ve yüzey özelliklerine de bağlıdır.

Kimyasal Katalizörler

Brus’un çalışmasının başlangıcında, ışık enerjisiyle kimyasal tepkimeleri destekleyebilecek malzemeler arayışı vardı. Katalizörler, tepkime sırasında tüketilmeden tepkime hızını artırabilir.

Kuantum noktalarının ışık soğurma özellikleri, fotokatalitik süreçlerde yararlı olabilir.

Kaynak: ACS

Örneğin suyu parçalayarak hidrojen üretme, CO2’yi hidrokarbon bileşiklerine dönüştürme ve başka kimyasal tepkimeleri destekleme uygulamaları araştırılmaktadır.

Karbon kuantum noktaları, bazı türlerinde görülen suyla uyumluluk, ayarlanabilir fotolüminesans ve yüzey işlevselleştirme olanakları nedeniyle fotokatalizde araştırılır. Karbon nanotüpler, fullerenler ve grafen ise ayrı karbon nanomalzeme sınıflarıdır; bunların tümüne karbon kuantum noktası denmez. Düşük toksisite de bütün ürünler için varsayılamaz.

Kuantum noktaları: kataliz uygulamaları

Enerji

Yarı iletken kuantum noktalarının bant aralığı boyutlarına göre ayarlanabilir. Bu özellik, güneş hücrelerinde farklı dalga boylarından yararlanma olanağı sunar.

Kaynak: Degruyter

Güneş hücreleri, bant aralığının altındaki enerjilere sahip fotonları verimli biçimde kullanamaz; daha yüksek enerjili fotonların enerjisinin bir bölümü de ısıya dönüşür. Silisyum hücrelerin yalnızca en yüksek enerjili fotonları kullandığını söylemek doğru değildir. Ayarlanabilir bant aralıkları bu kayıpları azaltmaya yönelik tasarımlarda değerlidir.

Tek eklemli hücreler için ideal koşullarda yaklaşık %30–35 mertebesinde verim sınırları hesaplanır. Kuantum noktaları için anılan %66 gibi değerler belirli ideal modeller ve çoklu taşıyıcı üretimi varsayımlarına bağlıdır; tüm kuantum noktalı panellerin ulaşacağı genel bir sınır veya ticari verim değildir.

Kuantum Bilgisayarlar

Daha büyük ve kullanışlı kuantum bilgisayarları geliştirme çabalarını «Kuantum Bilişimin Mevcut Durumu» başlıklı yazımızda incelemiştik. Kuantum noktaları bu araştırmalarda yararlı olabilir.

Örneğin bilgisayarın temel birimi olan kübiti oluşturmak için kullanılabilirler. Ayrıca tek spinleri yerelleştirme ve algılama ya da tek foton üretme gibi işlevler de araştırılmaktadır.

Bazı kuantum nokta tasarımları yerleşik yarı iletken üretim tekniklerinden yararlanabilir. Ancak basit kuantum noktalarının üretilebilmesi, ölçeklenebilir kuantum bilgisayarlarının ucuz veya kolay üretileceğini tek başına göstermez.

Kuantum Noktalar ve Nanoteknolojiye Yatırım

QLED ekranlar kuantum noktaları için büyük bir pazardır. Bu alandaki önemli üreticilerden biri Samsung Electronics’tir (SSNLF).

Bununla birlikte kuantum noktaları Samsung’un toplam işinin küçük bir bölümüdür. Bellek, işlemci, sensör ve diğer elektronik faaliyetleri nedeniyle Samsung hissesi, yalnızca kuantum noktalarına odaklanan bir yatırım değildir.

Kuantum noktası ve nanoteknoloji şirketlerine çeşitli aracı kurumlar üzerinden yatırım yapılabilir. securities.io üzerinde ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık ve başka ülkeler için aracı kurum bilgileri bulunmaktadır.

Tek tek şirket seçmek yerine nanoteknoloji fonları da incelenebilir. Makalenin tarihsel örnekleri arasında ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ve Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) yer alıyordu. Ancak TYNE 24 Şubat 2023’te tasfiye edildiği için 2024’te faal bir yatırım seçeneği değildi. Diğer fonların da güncel durumu, içeriği ve riskleri kontrol edilmelidir.

Ayrıca «En İyi 10 Nanoteknoloji Hissesi» listemizi inceleyebilirsiniz.

Kuantum Noktalar ve Nanoteknoloji Şirketleri

1. Nanoco Group (NANO.l)

Londra Borsası’nda NANO koduyla işlem gören Nanoco, kuantum noktaları ve diğer özel nanomalzemelerin geliştirilmesi ve üretimine odaklanır.

Kadmiyumsuz kuantum noktalarında çalışan şirket, makalede yaklaşık 375 patentlik bir portföyle tanıtılmıştı. Samsung ile fikri mülkiyet uyuşmazlığı 2023’te 150 milyon dolarlık brüt uzlaşmayla sona erdi. Nanoco, dava ve finansman giderlerinden sonra 90 milyon doların üzerinde net tutar kalacağını bildirdi. Brüt uzlaşma ile net gelir aynı değildir.

Nanoco, Samsung’a kıyasla kuantum noktaları ve ilgili nanomalzemelere daha doğrudan odaklanan bir yatırım örneğidir. Bu yoğunlaşma ticari ve finansal riskleri de artırabilir.

Şirket ekran teknolojileri ve optoelektronik uygulamalar üzerinde çalışırken, banknotlar için güvenlik işaretleme gibi başka olası pazarları da incelemiştir.

Kaynak: Nanoco

Kızılötesi kuantum noktaları için şirketin geliştirdiği ürün ailesi Heatwave olarak adlandırılır. Araştırılan sensör uygulamaları arasında şunlar bulunur:

• Biyometrik yüz tanıma.
• Optik tanı (O2 seviyeleri, bilirubin ve glukoz ölçümleri).
• LIDAR
• Gece görüşü.

Şirket 2024’te teknolojisini ticarileştirme aşamasındaydı; makalede iki ticari üretim siparişinden söz ediliyordu. Bunlar düzenli büyük ölçekli gelir elde edildiğini tek başına göstermez.

Kadmiyumsuz malzemeler, ağır metal içeren bazı alternatiflere göre tıbbi araştırmalar açısından yararlı olabilir. Ancak kadmiyum bulunmaması tek başına biyolojik güvenlik veya klinik onay anlamına gelmez.

2. QD Solar / SunDensity Canada

SunDensity, Haziran 2024’te QD Solar’ın varlıklarını satın alarak SunDensity Canada’yı oluşturduğunu açıkladı. QD Solar gelişmiş güneş hücresi malzemeleri üzerinde çalışıyordu.

Birleşen teknolojiler güneş enerjisi dönüşümünü geliştirmeyi amaçlıyordu; ticari sonuçlar o tarihte kesinleşmiş değildi.

QD Solar, perovskit ve kuantum noktaları gibi malzemelerle farklı dalga boylarından yararlanan hücre tasarımları geliştirmişti. Kullanılan katmanlar ve performans tasarıma bağlıdır.

Kaynak: QD Solar

SunDensity’nin nano kaplamaları ışığın tayfını hücrenin daha iyi kullanabileceği dalga boylarına dönüştürmeyi amaçlar. Teknolojiyi yalnızca UV hasarına karşı koruma olarak tanımlamak eksiktir.

Şirketin açıklamasında QD Solar’ın «aktif» yaklaşımı, silisyum hücreyle birlikte kullanılan perovskit katmanlarını; SunDensity’nin «pasif» yaklaşımı ise ışığı daha kullanılabilir dalga boylarına kaydıran kaplamaları içeriyordu.

Şirket, tamamlayıcı teknolojilerin birleşimiyle %40’ın üzerinde modül verimi hedeflenebileceğini açıkladı. Bu, satışa sunulmuş modüller için doğrulanmış verim değildi.

Yahoo Finance

Perovskit, nano kaplama ve kuantum noktalarının farklı ışık aralıklarından yararlanması, daha verimli tasarımlar için bir araştırma olanağı sunar. Bu bileşenlerin birleştirilmesi, fiziksel olarak mümkün en yüksek verime otomatik olarak ulaşılacağını göstermez.

Kaynak: QD Solar

%40 veya daha yüksek verim hedefleri gerçekleşir ve ekonomik biçimde üretilebilirse sektör için önemli olabilir. Dayanıklılık ve büyük ölçekli üretim de belirleyicidir.

Verimli ve dayanıklı paneller, uzay tabanlı güneş enerjisi gibi zorlu uygulamalar için özellikle değerli olabilir.