Українські вчені також розробляють матеріали з квантовими точками
Нобелівську премію в галузі хімії в цьому році отримали Мунгі Бавенді, Луїс Брюс та Олексій Єкімов, — «за розробку методу створення квантових точок».
Квантові точки – це нанорозмірні кристали напівпровідників, такі дрібні, що їхній розмір визначає їхні властивості. В залежності від розміру, квантові точки випромінюють світло різного кольору і «світять» яскравіше та триваліше, ніж інші флуоресцентні молекули.
Ці найменші компоненти нанотехнологій нині поліпшують світло від телевізорів і світлодіодних ламп; допомагають хірургам, коли ті видаляють пухлини тощо.
Тему квантових точок багато років досліджують і українські вчені, зокрема, в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича.
Коли було розпочато ці дослідження? Як вони рухаються сьогодні? Що вдалося? Ці запитання ми поставили завідувачу кафедри загальної хімії та хімічного матеріалознавства університету Юрію Халавці.
— Чесно кажучи, рухаємося повільно, — відповів науковець. — Ми розпочали ці дослідження на початку двохтисячних, за пропозицією професорів Лариси Щербак та Петра Фейчука. Вони вже мали досвід роботи з напівпровідниками й вирішили йти далі, отримати ці матеріали у нанорозмірі. Через якийсь час успішно синтезували нанорозмірні кристали.
Одночасно працювали групи вчених і в інших країнах. Тему «квантових точок» досліджували Андрій Рогач (білорус, працював у Німеччині), Дмитро Талапін (білорус, працював за кордоном).
На початку 2000-х я був студентом першого курсу ЧНУ, а мій колега Максим Коваленко — другого. Ми підхопили цю ідею й почали працювати. У 2002 році отримали перші результати — виконали оригінальні синтези нанокристалів.
Після закінчення університету Максим поїхав навчатися в Австрію, там же захистив дисертацію, яка стосується, зокрема, й квантових точок.
Дослідження продовжили і в нашому університеті. За цією темою було написано перші дипломні роботи, а потім — і дисертації. Цій темі присвячена й моя дипломна (я цитував дослідників, які в цьому році отримали Нобелівську премію), розділи кандидатської й докторської (зокрема, щодо застосування матеріалів на основі нанокристалів).
У 2010–2020 роках у ЧНУ було захищено низку дисертацій, присвячених квантовим точкам, композитним матеріалам, до складу яких входять нанорозмірні кристали тощо. Також учені університету отримали декілька патентів на корисні моделі щодо потенційного застосування квантових точок.
— Університет готує спеціалістів з цього напрямку?
— Так, у 2014 році ми, єдині в Україні, відкрили набір на спеціальність «Нанохімія». Готували фахівців з нанохімії декілька років, потім відбулася чергова реформа переліку спеціальностей, і ми повернулися до «класичної» хімії. Але чимало курсів, присвячених наноматеріалам, все ж вдалося зберегти. Наприклад, в університеті є п’ять курсів у магістерській програмі.
— У яких галузях працюють випускники?
— Група вчених, наприклад, заснувала стартап QustomDot у Бельгії. Одним із засновників стартапу є наш випускник Ігор Наконечний. Вони виготовляють квантові точки на замовлення різних виробників. Наприклад, роблять авторські спеціалізовані чорнила, які можна використовувати для захисту банкнот (ці чорнила можна «побачити» лише в ультрафіолеті). Також вони розробили технологію, яка робить екрани контрастнішими, дає змогу передати більшу кількість кольорів.
— Якщо не помиляюся, стартап для комерціоналізації розробок з квантових точок було створено і в Україні?
— Так, його назва — «Букнанотех». Я один з засновників цього стартапу, ми почали продаж наноматеріалів в Україні, але ринок цих матеріалів у нас все-таки поки що дуже невеликий.
— Чи є попит на випускників, які досліджують цю тему, в Україні?
— Є декілька колективів, які досліджують властивості таких наноматеріалів. Ми співпрацюємо з цими командами, виконуємо спільні науково-дослідні проєкти (ці проєкти фінансує Міністерство освіти і науки).
Наприклад, уже рік виконую проєкт для молодих учених щодо квантових точок у полімерних матеріалах. Це перспективний матеріал для теплиць та інших біологічних застосувань.
Після початку повномасштабного вторгнення декілька науковиць, які спеціалізуються на цій темі, виїхали за кордон і нині працюють у країнах ЄС. Наприклад, Олена Тинкевич працює у Кракові (Польща), Наталія Доскалюк — у Берліні (Німеччина).
— П’ять років тому ви прогнозували стрімке зростання ринку наноматеріалів. Цей прогноз справдився?
— Так, ринок справді зростає, насамперед завдяки телевізорам. Ці технології застосовує, наприклад, Samsung, їх використовують і українські розробники телевізорів KIVI (хоча останні й замовляють їхнє виготовлення в Китаї).
Це дуже великий ринок, на якому лідирують Китай, Південна Корея. Найчастіше ці технології використовують для виготовлення телевізорів, що відображають картинку дуже високої якості.
Нині, фактично, точиться війна двох технологій. Це ОLED-екрани (як у смартфонах), їх просувають такі компанії, як LG. Та — QLED-екрани, у системах підсвітки яких і використовують квантові точки. Ці телевізори виготовляє Samsung.
Також ці наноматеріали застосовують у біології, для дослідження процесів у клітинах. Ці матеріали — хороша альтернатива органічним барвникам. Квантові точки допомагають побачити, що відбувається в клітині, вони «відсвічують» клітини і довше тримаються в середовищі.
Органічні молекули вицвітають доволі швидко, за їхньою допомогою можна дослідити лише коротенький період життя клітини. А з квантовими точками цей період може бути в десять разів довший.
— Пане Юрію, як ви сприйняли новину, що ця тема стала нобелівською?
— Дуже зрадів. До речі, Максим Коваленко, з яким ми колись починали роботу, нині в Цюриху (Швейцарія), він — один з найбільш цитованих молодих учених.
Він запропонував досліджувати новий тип квантових точок, це так звані перовскітові квантові точки. Вони суттєво кращі, і це новий крок у дослідженнях, до якого причетні українці.
У світі приблизно 20–30 компаній (чи стартапів), які виконують подібні дослідження.
— Що б ви хотіли зробити в майбутньому в цьому напрямку?
— Ця галузь все ще дуже нова, попереду — чимало досліджень і відкриттів. Поєднання квантових точок з різними матеріалами дає змогу застосовувати їх у різних галузях.
Сьогодні ми досліджуємо можливість виготовлення квантових точок з різних матеріалів та можливості використання цих матеріалів. Наприклад, синтезуємо матеріали, які не містять токсичних елементів.
Один з потенційних напрямків застосування — це модифікація сонячного світла.
Наприклад, у теплиці, покриття якої буде виготовлено з матеріалів, що містять квантові точки, сонячне світло перетворюватиметься на більш сприятливе для рослин. Уявіть, що ми розмістили цю теплицю на Місяці, де надлишок ультрафіолету. Для того, щоб це світло було безпечним, можна або адаптувати рослини до штучного освітлення (для цього потрібні десятиліття), або — «перетворити» шкідливе світло на корисне.
На космічних станціях вже почали проводити подібні експерименти, одна з американських компаній відправляла в космос наночастинки.
— Ви обрали цю тему ще на першому курсі. Чому саме її? Чому вам це цікаво?
— Так збіглося, я опинився в потрібному місці в правильний час. Сьогодні бачу чимало напрямків та можливостей розвитку цієї теми в майбутньому.
Це ніби дитині (у нашому випадку — людству) подарували новий крутий конструктор. З нього можна скласти дуже багато цікавих речей — нові міста, космічні станції, поселення на інших планетах.
Так і тут, ми вже розуміємо деякі принципи створення цих матеріалів, знаємо, як їх використати чи вдосконалити. Сьогодні ми підійшли до етапу технологій і їхнього застосування.
Ми розробляємо і вдосконалюємо синтези нових матеріалів, шукаємо простіші й доступніші рішення, наприклад, синтезуємо в більших об’ємах. (Процес виготовлення досить затратний, рентабельніше виготовляти одразу кілька літрів). Наші студенти нині розробляють установку для автоматизованого синтезу наночастинок.
Працюємо з партнерами зі Швейцарії, Румунії, Польщі та Німеччини. В Україні, на жаль, поки що дуже мало електронних мікроскопів, які дають змогу «бачити» наночастинки.
Сподіваємося, що в майбутньому такий буде і в Чернівецькому університеті.
Я радий, що в Україні квантові точки досліджують декілька наукових груп — у Києві, Харкові, Ужгороді. Потенціал цього напрямку — величезний!
Розпитувала Світлана ГАЛАТА
Фото «нобелівського» світла з фейсбук-сторінки Юрія Халавки
Читайте також: