206 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 207Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 Črtomir Podlipnik 4. oktobra leta 2023 je Kraljeva švedska akademija znanosti podelila Nobelovo nagrado za kemijo francoskemu kemiku tunizijskih korenin Moungiju Bawendiju, ki deluje na Tehnolo- škem inštitutu Massachusettsa v Združenih državah Amerike, ameriškemu kemiku Louisu Brusu z Univerze Columbia v Združenih državah Amerike in ruskemu fiziku Alekseju Jekimovu, ki je raziskoval na inštitutu Vavilov v Sankt Peterburgu v Rusiji, za njihove pio- nirske raziskave na področju kvantnih pik. Lastnosti snovi so v veliki meri povezane z elementi, ki jih sestavljajo, a njihovo med- sebojno delovanje ustvarja zapletene rezul- tate. Kisik na primer je osnovni element v molekuli vode, a hkrati je tudi del nevarnih bojnih strupov, kot je fosgen. Čeprav lahko na splošno trdimo, da lastnosti snovi določa njena elektronska struktura, to vedno ni ta- ko enostavno. Atomi in ioni imajo določeno število elektronov, ki imajo ključno vlogo pri tvorbi in cepitvi kemijskih vezi. Veči- noma so lastnosti snovi neodvisne od njene mase: na primer, zmrzišče enega grama vo- de je enako zmrzišču enega kilograma vo- de. V svetu nanodelcev pa se zakoni fizike kažejo na nenavadne načine. Ko se pribli- žujemo razdaljam v milijoninkah milimetra, postane kvantna mehanika glavni igralec, ki presega naše tradicionalno razumevanje. Če elektrone ali druge delce zapremo v zelo majhen prostor, se njihovo vedênje temeljito spremeni: takrat so lastnosti odvisne tudi od velikosti delcev. Takšno obnašanje je že leta 1937 teoretično predvidel Herbert Fröhlich (Fröhlich, 1937). V zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega sto- letja sta Aleksej Jekimov in Louis Brus ne- odvisno drug od drugega odkrila kvantne pike, ki jih imenujemo tudi polprevodniški nanokristali. Kvantne pike so zelo majhne agregacije polprevodniškega materiala in vse- bujejo od tisoč do nekaj deset tisoč atomov, njihov premer pa znaša od enega do deset nanometrov. Zaradi majhnosti se kvantne pike obnašajo kot kvantni delci, njihove optične in elektronske lastnosti se bistveno razlikujejo od večjih agregatov istega pol- prevodniškega materiala. Kako majhne so kvantne pike, najlažje ponazorimo z nasle- dnjo primerjavo. Kvantna pika, ki jo sestavlja nekaj tisoč atomov, je v enakem velikostnem razmerju z nogometno žogo, kot je ta v raz- merju s planetom Zemlja (slika spodaj). Jekimov in njegova ekipa so na Državnem optičnem inštitutu podrobno preučeva- li Schottova stekla s polprevodniškimi la- stnostmi ter razvijali teorijo, ki bi lahko po- jasnila njihov spekter barv. Ko so ta stekla segreli in kasneje ohladili, so v njih nastali nanokristali bakrovega klorida, ki so jih za- znali z rentgenskim uklonom (difrakcijo). Ugotovili so, da je barva stekla v neposredni odvisnosti od velikosti teh nanokristalov. Je- kimov je s prilagajanjem pogojev segrevanja in ohlajevanja stekla natančno nadzoroval nastanek nanokristalov bakrovega klorida v velikostnem razponu od dveh do trideset nanometrov. Svoja spoznanja je leta 1981 objavil v prestižni sovjetski znanstveni reviji (Екимов, Онущенко, 1981).  Ker pa je bila dostopnost te publikacije znanstvenikom zahodnega sveta omejena zaradi železne za- vese, Louis Brus ni bil seznanjen z Jekimo- vovim delom. Louis Brus je leta 1983 kot prvi samostojno razkril kvantne lastnosti nanodelcev, razto- pljenih v tekočini, ki so povezane z njiho- vo velikostjo. Med svojim delom v Bellovih laboratorijih v Združenih državah Amerike je Brus raziskoval fotokemijo delcev kadmi- jevega sulfida, ki so v njegovih poskusih bili katalizatorji kemijskih reakcij. Da bi opti- miziral aktivno površino, je pripravil su- spenzije drobnih delcev kadmijevega sulfida. Med opazovanjem teh nanodelcev je opazil nenavaden pojav - njihove optične lastno- sti so se sčasoma, ko so stali v laboratoriju, spreminjale. Predvideval je, da je vzrok za to rast delcev, zato je za preverjanje te hi- poteze ustvaril nanodelce kadmijevega sulfi- da, velike približno 4,5 nanometra. Njihove optične lastnosti je nato primerjal z večjimi delci, ki so merili približno 12,5 nanometra. Medtem ko so večji delci svetlobo absorbi- rali pri običajnih valovnih dolžinah za kad- mijev sulfid, je bila za manjše delce značilna absorbcija pri krajših valovnih dolžinah, kar se je kazalo v premiku proti modri barvi v spektru (Brus, 1984). Slika na sledeči strani prikazuje suspenzije kadmijevega selenida s kvantnimi pikami različnih velikosti. Iz slike je jasno razvi- dno, da velikost kvantnih pik vpliva na va- lovno dolžino oddane svetlobe: manjše kot so kvantne pike, krajša je valovna dolžina svetlobe, ki jo oddajajo. Prejemniki Nobelove nagrade za kemijo za leto 2023: Moungi Bawendi, Louis Brus in Aleksej Jekimov. 2 do 10 nanometrov 19 centimetrov 12.756 kilometrov Kvantna pika je nanokristal, ki je pogosto sestavljen iz le nekaj tisoč atomov. Po velikosti je do žoge v takšnem razmerju, kot je žoga do Zemlje. 206 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 207Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 • Nobelove nagrade za leto 2023Nobelove nagrade za leto 2023 • Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 Črtomir Podlipnik 4. oktobra leta 2023 je Kraljeva švedska akademija znanosti podelila Nobelovo nagrado za kemijo francoskemu kemiku tunizijskih korenin Moungiju Bawendiju, ki deluje na Tehnolo- škem inštitutu Massachusettsa v Združenih državah Amerike, ameriškemu kemiku Louisu Brusu z Univerze Columbia v Združenih državah Amerike in ruskemu fiziku Alekseju Jekimovu, ki je raziskoval na inštitutu Vavilov v Sankt Peterburgu v Rusiji, za njihove pio- nirske raziskave na področju kvantnih pik. Lastnosti snovi so v veliki meri povezane z elementi, ki jih sestavljajo, a njihovo med- sebojno delovanje ustvarja zapletene rezul- tate. Kisik na primer je osnovni element v molekuli vode, a hkrati je tudi del nevarnih bojnih strupov, kot je fosgen. Čeprav lahko na splošno trdimo, da lastnosti snovi določa njena elektronska struktura, to vedno ni ta- ko enostavno. Atomi in ioni imajo določeno število elektronov, ki imajo ključno vlogo pri tvorbi in cepitvi kemijskih vezi. Veči- noma so lastnosti snovi neodvisne od njene mase: na primer, zmrzišče enega grama vo- de je enako zmrzišču enega kilograma vo- de. V svetu nanodelcev pa se zakoni fizike kažejo na nenavadne načine. Ko se pribli- žujemo razdaljam v milijoninkah milimetra, postane kvantna mehanika glavni igralec, ki presega naše tradicionalno razumevanje. Če elektrone ali druge delce zapremo v zelo majhen prostor, se njihovo vedênje temeljito spremeni: takrat so lastnosti odvisne tudi od velikosti delcev. Takšno obnašanje je že leta 1937 teoretično predvidel Herbert Fröhlich (Fröhlich, 1937). V zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega sto- letja sta Aleksej Jekimov in Louis Brus ne- odvisno drug od drugega odkrila kvantne pike, ki jih imenujemo tudi polprevodniški nanokristali. Kvantne pike so zelo majhne agregacije polprevodniškega materiala in vse- bujejo od tisoč do nekaj deset tisoč atomov, njihov premer pa znaša od enega do deset nanometrov. Zaradi majhnosti se kvantne pike obnašajo kot kvantni delci, njihove optične in elektronske lastnosti se bistveno razlikujejo od večjih agregatov istega pol- prevodniškega materiala. Kako majhne so kvantne pike, najlažje ponazorimo z nasle- dnjo primerjavo. Kvantna pika, ki jo sestavlja nekaj tisoč atomov, je v enakem velikostnem razmerju z nogometno žogo, kot je ta v raz- merju s planetom Zemlja (slika spodaj). Jekimov in njegova ekipa so na Državnem optičnem inštitutu podrobno preučeva- li Schottova stekla s polprevodniškimi la- stnostmi ter razvijali teorijo, ki bi lahko po- jasnila njihov spekter barv. Ko so ta stekla segreli in kasneje ohladili, so v njih nastali nanokristali bakrovega klorida, ki so jih za- znali z rentgenskim uklonom (difrakcijo). Ugotovili so, da je barva stekla v neposredni odvisnosti od velikosti teh nanokristalov. Je- kimov je s prilagajanjem pogojev segrevanja in ohlajevanja stekla natančno nadzoroval nastanek nanokristalov bakrovega klorida v velikostnem razponu od dveh do trideset nanometrov. Svoja spoznanja je leta 1981 objavil v prestižni sovjetski znanstveni reviji (Екимов, Онущенко, 1981).  Ker pa je bila dostopnost te publikacije znanstvenikom zahodnega sveta omejena zaradi železne za- vese, Louis Brus ni bil seznanjen z Jekimo- vovim delom. Louis Brus je leta 1983 kot prvi samostojno razkril kvantne lastnosti nanodelcev, razto- pljenih v tekočini, ki so povezane z njiho- vo velikostjo. Med svojim delom v Bellovih laboratorijih v Združenih državah Amerike je Brus raziskoval fotokemijo delcev kadmi- jevega sulfida, ki so v njegovih poskusih bili katalizatorji kemijskih reakcij. Da bi opti- miziral aktivno površino, je pripravil su- spenzije drobnih delcev kadmijevega sulfida. Med opazovanjem teh nanodelcev je opazil nenavaden pojav - njihove optične lastno- sti so se sčasoma, ko so stali v laboratoriju, spreminjale. Predvideval je, da je vzrok za to rast delcev, zato je za preverjanje te hi- poteze ustvaril nanodelce kadmijevega sulfi- da, velike približno 4,5 nanometra. Njihove optične lastnosti je nato primerjal z večjimi delci, ki so merili približno 12,5 nanometra. Medtem ko so večji delci svetlobo absorbi- rali pri običajnih valovnih dolžinah za kad- mijev sulfid, je bila za manjše delce značilna absorbcija pri krajših valovnih dolžinah, kar se je kazalo v premiku proti modri barvi v spektru (Brus, 1984). Slika na sledeči strani prikazuje suspenzije kadmijevega selenida s kvantnimi pikami različnih velikosti. Iz slike je jasno razvi- dno, da velikost kvantnih pik vpliva na va- lovno dolžino oddane svetlobe: manjše kot so kvantne pike, krajša je valovna dolžina svetlobe, ki jo oddajajo. Prejemniki Nobelove nagrade za kemijo za leto 2023: Moungi Bawendi, Louis Brus in Aleksej Jekimov. 2 do 10 nanometrov 19 centimetrov 12.756 kilometrov Kvantna pika je nanokristal, ki je pogosto sestavljen iz le nekaj tisoč atomov. Po velikosti je do žoge v takšnem razmerju, kot je žoga do Zemlje. 208 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 209Nobelove nagrade za leto 2023 • Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 • Nobelove nagrade za leto 2023 V svetu raziskav kvantnih pik je bilo glavno vprašanje, kako ustvariti kakovostne in ob- stojne kvantne pike z enotnimi lastnostmi. Moungi Bawendi, letošnji Nobelov nagraje- nec za kemijo, je leta 1993 objavil metodo vročega vbrizgavanja, ki omogoča sintezo kvantnih pik z natančno določenimi dimen- zijami, hkrati pa so kvantne pike, dobljene s tem postopkom, izjemno obstojne (Murray, Norris, Bawendi, 1993). Bawendijeva no- vost je pripomogla k razvoju novih tehno- logij, ki temeljijo na uporabi kvantnih pik. Tehnologija kvantnih pik postaja vedno bolj prevladujoča in ključna v sodobnem svetu. Na njeni osnovi so razviti visokokakovostni zasloni QLED za računalnike in televizorje, ki zagotavljajo izjemno kakovost slike in ži- ve barve. V kvantnih računalnikih kubiti, ki uporabljajo kvantne pike, omogočajo revolu- cionarne zmogljivosti. Poleg tega sončne ce- lice, ki vsebujejo kvantne pike, dosegajo iz- jemno učinkovitost in povečujejo izkoristek energije. Kvantne pike prav tako uporabljajo v medicinski diagnostiki, kjer omogočajo natančnejše rezultate, in pri razvoju inova- tivnih senzorjev (tipal), ki obetajo večjo ob- čutljivost in zanesljivost. Literatura: Brus, Louis, E., 1984: Electron–electron and electron‐ hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state. The Journal of Chemical Physics, 80 (4403): 4403–4409. Екимов, А. И., Онущенко, А. А., 1981: Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников (PDF). Письма в ЖЭТФ, 34: 363–366. Fröhlich, H., 1937: Die spezifische Wärme der Elektronen kleiner Metallteilchen bei tiefen Temperaturen. Physica, 4 (5): 406 - 412. Murray, C. B., Norris, D. J., Bawendi, M. G., 1993: Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. Journal of the American Chemical Society, 115 (19): 8706–8715. doi:10.1021/ ja00072a025. ISSN 0002-7863. Slovarček: Elektronska struktura Razporeditev in vedênje elektronov v atomu ali molekuli. Fotokemija. Veja kemije, ki se ukvarja z učinki svetlobe na kemijske reakcije. Kadmijev sulfid. Polprevodniški material, uporabljen v raziskavah kvantnih pik. Kubiti. Osnovne enote informacije v kvan- tnih računalnikih. Kvantna mehanika. Področje fizike, ki opi- suje vedênje zelo majhnih delcev. Kvantna pika. Zelo majhna agregacija pol- prevodniškega materiala, ki se obnaša kot kvantni delci in ima posebne optične in ele- ktronske lastnosti. Kvantni računalnik. Naprava, ki za proce- siranje podatkov uporablja kvantno mehani- ko, predvsem superpozicijo in prepletanje. Namesto običajnih bitov uporablja kubite, ki lahko zavzemajo več stanj hkrati. To omogoča bistveno hitrejše izračune in večjo procesno moč, kar je ključno za reševanje kompleksnih problemov, ki presegajo zmo- gljivosti klasičnih računalnikov. Metoda vročega vbrizgavanja. Tehnika za sintezo kvantnih pik z nadzorovanimi veli- kostmi. Nanodelci. Izjemno majhni delci, merjeni v nanometrih. Polprevodniški nanokristal. Majhen kri- stal, sestavljen iz polprevodniškega materi- ala, ki ima kvantne lastnosti. Rentgenska difrakcija. Tehnika za analizo kristalne strukture snovi s pomočjo rentgen- skih žarkov. Schottova stekla. Posebna vrsta stekla z določenimi optičnimi lastnostmi. Sončne celice. Naprave, ki pretvarjajo sve- tlobno energijo v električno energijo. Vavilovov inštitut v Rusiji. Raziskovalni inštitut v Sankt Peterburgu, znan po razi- skavah v fiziki. Zasloni QLED. Visokokakovostni zasloni, ki uporabljajo tehnologijo kvantnih pik za izboljšanje kakovosti slike. Suspenzije kadmijevega selenida s kvantnimi pikami različnih velikosti (v nanometrih). Črtomir Podlipnik je doktoriral iz teoretične kemije na Univerzi v Ljubljani pod mentorstvom prof. Jožeta Kollerja. Specializiral se je tudi na področju kemoinformatike, kar mu omogoča učinkovito analizo in modeliranje kemijskih spojin. Po pridobitvi doktorata se je pridružil skupini prof. Anne Bernardi na Univerzi v Milanu v Italiji, kjer je bil vključen v razvoj zaviralcev toksina kolere. V času epidemije SARS-CoV-2 je sodeloval v projektih odprte znanosti Covid. si in SiDock@Home. Trenutno je zaposlen kot asistent na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani, kjer je tudi koordinator za študij kemoinformatike v okviru Erasmus+ programa Chemoinformatics+. 208 ■ Proteus 86/5 • Januar 2024 209Nobelove nagrade za leto 2023 • Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 Nobelova nagrada za kemijo za leto 2023 • Nobelove nagrade za leto 2023 V svetu raziskav kvantnih pik je bilo glavno vprašanje, kako ustvariti kakovostne in ob- stojne kvantne pike z enotnimi lastnostmi. Moungi Bawendi, letošnji Nobelov nagraje- nec za kemijo, je leta 1993 objavil metodo vročega vbrizgavanja, ki omogoča sintezo kvantnih pik z natančno določenimi dimen- zijami, hkrati pa so kvantne pike, dobljene s tem postopkom, izjemno obstojne (Murray, Norris, Bawendi, 1993). Bawendijeva no- vost je pripomogla k razvoju novih tehno- logij, ki temeljijo na uporabi kvantnih pik. Tehnologija kvantnih pik postaja vedno bolj prevladujoča in ključna v sodobnem svetu. Na njeni osnovi so razviti visokokakovostni zasloni QLED za računalnike in televizorje, ki zagotavljajo izjemno kakovost slike in ži- ve barve. V kvantnih računalnikih kubiti, ki uporabljajo kvantne pike, omogočajo revolu- cionarne zmogljivosti. Poleg tega sončne ce- lice, ki vsebujejo kvantne pike, dosegajo iz- jemno učinkovitost in povečujejo izkoristek energije. Kvantne pike prav tako uporabljajo v medicinski diagnostiki, kjer omogočajo natančnejše rezultate, in pri razvoju inova- tivnih senzorjev (tipal), ki obetajo večjo ob- čutljivost in zanesljivost. Literatura: Brus, Louis, E., 1984: Electron–electron and electron‐ hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state. The Journal of Chemical Physics, 80 (4403): 4403–4409. Екимов, А. И., Онущенко, А. А., 1981: Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников (PDF). Письма в ЖЭТФ, 34: 363–366. Fröhlich, H., 1937: Die spezifische Wärme der Elektronen kleiner Metallteilchen bei tiefen Temperaturen. Physica, 4 (5): 406 - 412. Murray, C. B., Norris, D. J., Bawendi, M. G., 1993: Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. Journal of the American Chemical Society, 115 (19): 8706–8715. doi:10.1021/ ja00072a025. ISSN 0002-7863. Slovarček: Elektronska struktura Razporeditev in vedênje elektronov v atomu ali molekuli. Fotokemija. Veja kemije, ki se ukvarja z učinki svetlobe na kemijske reakcije. Kadmijev sulfid. Polprevodniški material, uporabljen v raziskavah kvantnih pik. Kubiti. Osnovne enote informacije v kvan- tnih računalnikih. Kvantna mehanika. Področje fizike, ki opi- suje vedênje zelo majhnih delcev. Kvantna pika. Zelo majhna agregacija pol- prevodniškega materiala, ki se obnaša kot kvantni delci in ima posebne optične in ele- ktronske lastnosti. Kvantni računalnik. Naprava, ki za proce- siranje podatkov uporablja kvantno mehani- ko, predvsem superpozicijo in prepletanje. Namesto običajnih bitov uporablja kubite, ki lahko zavzemajo več stanj hkrati. To omogoča bistveno hitrejše izračune in večjo procesno moč, kar je ključno za reševanje kompleksnih problemov, ki presegajo zmo- gljivosti klasičnih računalnikov. Metoda vročega vbrizgavanja. Tehnika za sintezo kvantnih pik z nadzorovanimi veli- kostmi. Nanodelci. Izjemno majhni delci, merjeni v nanometrih. Polprevodniški nanokristal. Majhen kri- stal, sestavljen iz polprevodniškega materi- ala, ki ima kvantne lastnosti. Rentgenska difrakcija. Tehnika za analizo kristalne strukture snovi s pomočjo rentgen- skih žarkov. Schottova stekla. Posebna vrsta stekla z določenimi optičnimi lastnostmi. Sončne celice. Naprave, ki pretvarjajo sve- tlobno energijo v električno energijo. Vavilovov inštitut v Rusiji. Raziskovalni inštitut v Sankt Peterburgu, znan po razi- skavah v fiziki. Zasloni QLED. Visokokakovostni zasloni, ki uporabljajo tehnologijo kvantnih pik za izboljšanje kakovosti slike. Suspenzije kadmijevega selenida s kvantnimi pikami različnih velikosti (v nanometrih). Črtomir Podlipnik je doktoriral iz teoretične kemije na Univerzi v Ljubljani pod mentorstvom prof. Jožeta Kollerja. Specializiral se je tudi na področju kemoinformatike, kar mu omogoča učinkovito analizo in modeliranje kemijskih spojin. Po pridobitvi doktorata se je pridružil skupini prof. Anne Bernardi na Univerzi v Milanu v Italiji, kjer je bil vključen v razvoj zaviralcev toksina kolere. V času epidemije SARS-CoV-2 je sodeloval v projektih odprte znanosti Covid. si in SiDock@Home. Trenutno je zaposlen kot asistent na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani, kjer je tudi koordinator za študij kemoinformatike v okviru Erasmus+ programa Chemoinformatics+.