FYZIKÁLNÍ CHEMIE
O NEROZLUČNOSTI CHEMIE A FYZIKY, NOBELOVÝCH CENÁCH A PUTOVÁNÍCH A NÁVRATU MLADÉHO VĚDCE
Když v říjnu oznámila Královská švédská akademie věd letošní Nobelovy ceny za chemii a fyziku, věděla jsem, že musím oslovit fyzikál- ního chemika, aby našim čtenářům přiblížil, za co přesně byly uděleny. Fyzikální chemie se totiž týkají obě: letošní Nobelova cena za chemii je za objev a syntézu kvantových teček (Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus, Aleksey Yekimov) a ta za fyziku byla udělena za experimentální me- tody, které generují attosekundové pulzy záření pro studium dynamiky elektronů v hmotě (Pierre Agostini, Ferenc Krausz, Anne L'Huillier). Moje volba padla na mladého fyzikálního chemika Vítka Svobodu, se kterým se znám již od jeho studentských let na střední škole. Byl jedním z našich stážistů na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského v týmu zabývajícím se chemickou fyzikou. Za tu dobu uběhlo hodně vody, Vítek vystudoval v Čechách vysokou, doktorát ve Švýcarsku a brzy se bude vracet domů z USA, kde působí jako postdoktorandský výzkumný pra- covník. Ale nepředbíhejme. Zpět k Nobelovým cenám, začněme tou za chemii. Kvantové tečky – jak si je máme před- stavit, jak se chovají, co umí a proč jsou tak významné? Obecně platí, že jevy na úrovni kvantové mechaniky se představují špatně, což platí i pro kvantové tečky. To je dáno tím, že nejsme schopni je přímo vnímat našimi smysly, a tak se naše intuice pro ně nehodí. Proto si typicky pomáháme různými přirovnáními. Já to také přes jedno zkusím. Představme si kytarovou strunu, která je napnutá mezi dvěma pevnými body. Taková struna může kmitat jen na velmi specifických frekvencích. Může vydávat jen konkrétní tóny, chcete-li. Tyto konkrétní tóny jsou důsledkem toho, že struna je napnutá právě mezi dvěma body o určité vzdálenosti. Body strunu ome- zují v jejím jednorozměrném (1D) kmitání, což se projeví omezeným počtem tónů, které může struna vydávat. Když strunu na jednom konci uvolníme, najednou může kmitat na libovolných frekvencí, ale žádný pěkný tón z toho nebude. Toto strunové přirovnání je užitečné pro pří- pad kvantově-mechanického jevu, při kterém studovaný systém, např. kvantová tečka, ne- může existovat v libovolném stavu (tónu) tak jako uvolněná struna, ale pouze v určitých, přesně definovaných stavech, podobně jako je tomu u upevněné struny, která vydává jen některé tóny. Tento jev tzv. kvantového ome- zení je základem pro pochopení jedinečnosti kvantových teček. Kvantové tečky jsou trojrozměrným (3D) ana- logem kytarové struny. Kvantová tečka je vlastně nanočásticí – částicí, jejíž charakteristický rozměr, typicky průměr, je v řádech několika málo nano- metrů (1 nm = 1 × 10 –9 m). Taková nanočástice pak podléhá stejnému kvantovému omezení,
na základní principy, které řídí svět kolem nás. Aby bylo možno je odhalit, bylo vždy zapotřebí mnohých zjednodušení a jednoduchých mode- lových systémů, které mají jen malé, jestli vůbec nějaké praktické využití. Naproti tomu chemie si od samého začátku za svůj cíl vytyčila řešení praktických otázek, tedy velmi složitých pro- blémů. Proto se velmi dlouho zdálo, že nemá žádný vnitřní řád, že je to věda empirická, zalo- žena na poznatcích z pozorování; tedy vlastně taková velká kolekce vyzkoušených zákonitostí, které nejsou jednoduše přenositelné z jednoho problému na druhý. To se dramaticky změnilo s poznáním ato- mové struktury látek, a hlavně s příchodem kvantové mechaniky. Dnes je hranice mezi chemií a fyzikou velmi tenká a v mnoha přípa- dech si vlastně nejsem jist, jestli je vůbec třeba. Důležité je, že se dnes chemie a fyzika na svých poznatcích shodnou, i přes to, že k nim došly z jiných konců. Pro mě osobně jsi pěkným prototypem mladého moderního vědce, který vystudoval doma vysokou školu (VŠCHT Praha), na doktorát se přihlásil a byl přijat na prestižním světovém pracovišti (ETH Zürich ve Švýcarsku) a teď pracuješ jako postdoktorandský výzkumník na významném americkém vědeckém institutu (JILA v Boulderu, Colorado, USA). Pro úspěšnou vědeckou kariéru je podle mě takové putování správným modelem. Děkuji. Já asi takto nikdy neuvažoval, že by právě toto byl správný postup. A ani jsem to nijak neplánoval. Tak nějak se to stalo. Podle mě jsem byl vždy typ člověka, který se snaží plnit své povinnosti, například ve škole, na sto procent, podle hesla: „ Když už něco děláš, tak koukej, ať to děláš pořádně. “ Prostě věci neflákat, i když se jedná o něco navíc a nekouká z toho hned nějaký užitek. Vlastně se mi vždy vyplatilo jít s elánem právě do věcí, do kterých se nikomu z vrstevníků nechtělo právě proto, že tam nebyla vidina rychlé odměny. Současně jsem se vždy snažil, abych nepro- marnil zajímavou příležitost, když se čas od času naskytla. A pak už je to jen o důvěře v to, že příležitosti se objevují proto, aby nás někam posunuly. Ostatně takto jsem se kdysi objevil i na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského. Neplánoval jsem to, ale naskytla se zajímavá příležitost a já nezaváhal. Co ses při tom svém putování světem naučil? No člověk se hlavně naučí, že všude je to vesměs stejné. Bylo by fajn, abychom si to tu u nás doma uvědomili a přestali si na vše stě-
jakému podléhá struna. Jinými slovy, vlastnosti kvantové tečky budou záviset na její velikosti, která v našem přirovnání odpovídá vzdálenosti
upevňovacích bodů kytarové struny. To je dobré přirovnání! Co ale v kvantové tečce vlastně kmitá?
Kvantové tečky jsou typicky polovodičové nanočástice. Velmi zjednodušeně řečeno jsou shlukem elektronů a atomových jader. Když tečce dodáme dostatek energie, třeba světlem, tak může dojít k odtržení záporně nabitého elektronu, který po sobě zanechá v přísluš- ném atomu pozitivně nabitou díru. Vzniklý pár elektronu a díry, které jsou v prostorově omezené kvantové tečce k sobě přitahovány elektrostatickou silou, označujeme jako exciton. Ten si můžeme představit jako částici, nebo přesněji kvazi-částici, o které, podle pravidel kvantové mechaniky, můžeme uvažovat také jako o malinkaté struně, přesněji vlně. A jak víme, struny mohou kmitat a vydávat tóny. Je to právě toto specifické kmitání excitonu, které propůjčuje kvantovým tečkám vlastnosti, které běžné, makroskopicky velké materiály nemají. U teček nás zajímají jejich optické vlastnosti, především pak emisní spektrum, tj. jaké záření po vybuzení budou tečky vydávat. Ukazuje se, že pozici spektra, tedy barvu záření, které tečky vyzařují (protože obvykle se jedná o viditelné záření), můžeme ovládat tak, že měníme velikost teček. A tak se kruh našeho přirovnání uzavírá: různá vzdálenost upevňovacích bodů vede k jiným tónům, u kvantových teček zase různá velikost vede k jiným emisním spektrům. Mají tyto speciální vlastnosti kvantových teček nějaké uplatnění? To je na kvantových tečkách pěkné, že poměrně záhy našly své uplatnění mimo základní vě- decké bádání. Nejvíce se využívá jejich optic- kých vlastností, jmenovitě toho, že jejich emisní spektra se dají prakticky libovolně nastavovat právě podle toho, jak velké kvantové tečky připravíme. Prvním krokem k aplikačnímu využití tak bylo zvládnutí jejich přípravy podle požadavků dané aplikace. Dnes je můžeme nalézt třeba v moderních displejích mobilních telefonů. Nalezly své uplatnění i v medicíně, kde se používají pro zobrazovací metody v pokročilé diagnostice. Když procházím články k tématu kvantových teček, vyjíždí mi spíše fyzikální pracoviště než chemická. Provázanost chemie s fyzikou je ovšem velká. Ty děláš chemickou fyziku, jak tedy vnímáš vztah chemie a fyziky? Chemie a fyzika historicky začaly jako dvě oddělená odvětví vědy. Fyzika se snažila přijít
38
CHEMAGAZÍN • 6 / XXXIII (2023)
Made with FlippingBook Digital Publishing Software