Erst kürzlich wurden drei Wissenschaftler für ihre Arbeit an Quantenpunkten mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Quantenpunkte sind ein wichtiger Bestandteil moderner Bildschirme, sind aber ebenso sehr wichtig in der frühzeitigen Krebsdiagnose. Doch was sind Quantenpunkte überhaupt und wie funktionieren sie?

Wir erklären, was die Quantenpunkte so besonders macht, warum sie zuerst nicht beachtet worden und in welchen wichtigen Bereichen man sie nutzt. Außerdem erfahrt ihr, welchen Beitrag die drei ausgezeichneten Wissenschaftler zu den Quantenpunkten geleistet haben.

Was sind Quantenpunkte?

Quantenpunkte, Eine Art der Nanokristalle, sind winzige Halbleiterpartikel, die eine besondere Größe und eine quantisierte elektronische Struktur aufweisen. Sie sind lediglich 1,5 bis 10 Nanometer groß. Aufgrund ihrer geringen Größe zeigen Quantenpunkte quantenmechanische Effekte, die in größeren Materialien nicht auftreten.

Bekannt sind Quantenpunkte vor allem dafür, dass sie abhängig ihrer Größe Licht mit höherer oder niedrigerer Energie emittieren. Dadurch strahlen die Quantenpunkte je nach Größe eine andere Lichtfarbe aus, was gerade für Bildschirme und Sensoren interessant ist. Zugleich können sie Licht auch absorbieren und sind damit auch effektive Energieumwandler. 

Für Sensoren ebenfalls nützlich ist ihre starke Empfindlichkeit gegenüber ihrer Umgebung, wie etwa Temperatur, Druck oder bestimmte Moleküle. Zugleich lässt sich ihre Oberfläche einfach modifizieren, um ihre Eigenschaften zu beeinflussen. Dadurch lassen sie sich auch widerstandsfähiger gegenüber bestimmten Einflüssen machen, was ihnen eine große Flexibilität in der Anwendung gibt. 

Wie werden Quantenpunkte hergestellt? 

Quantenpunkte können nicht nur aus einem bestimmten, sondern aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Dafür gibt es mehrere mögliche Verfahren. Die gängigste Methode, dessen Entdeckung auch mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde, ist eine nasschemische Methode. Bei dieser Methode werden Metallionen und Liganden (organische Moleküle) in einer Lösung erhitzt. Durch die richtige Steuerung der Reaktionsbedingungen, wie Temperatur und Zusammensetzung der Ausgangsstoffe, bilden sich kleine Nanokristalle, die Quantenpunkte.

Durch die Steuerung der Reaktionsbedingungen lässt sie dabei auch gezielt die Größe dieser Kristalle steuern – was wichtig ist, da die Größe die quantenmechanischen Eigenschaften bestimmt. Anschließend wird der eigentliche Quantenpunkt oft von weiteren Schichten umgeben. Diesen dienen etwa zur Verbesserung der optischen Eigenschaften, Wasserlöslichkeit oder der Biokompatibilität umgeben. 

Auch wenn Quantenpunkte selbst oft aus seltenen Rohstoffen hergestellt werden, könnten künftige Entwicklung trotzdem den Bedarf an begrenzten Rohstoffen wie seltenen Erden reduzieren. 

Wo werden Quantenpunkte eingesetzt?

Die besonderen Eigenschaften von Quantenpunkten, machen sie zu einem wichtigen Material für eine Vielzahl von Anwendungen.

Quantenpunkte in Displays

Habt ihr schon den Begriff QLED irgendwo gelesen? Das steht für Quantum-Leuchtdioden und ist eine neue Generation von Displays, die auf Quantenpunkte setzt.

Die QLED-Technologie hat gleich zwei große Vorteile. Zum einen gilt die Lebensdauer von QLED-Bildschirmen als länger, zum anderen büßen QLED-Displays weniger Farbsättigung ein. Das macht helle Farben strahlender und sorgt auch für bei viel Tageslicht für ein deutlich besseres Bild. Bei schwarz und dunklen Farben haben OLEDs aber noch die Nase vorn.  

Weitere Vorteile sind aber auch eine höhere Energieeffizient. Zukunftssicher sind die Quantenpunkte aber auch, weil sie quasi in verschiedenste Displaytypen verbaut werden können – einschließlich gebogener Displays.

Marker in der Biologie und Medizin

Die Leuchtfähigkeit der Quantenpunkte ist auch wichtig für die Medizin- und Umweltforschung. So können sie zur Markierung von Zellen dienen, aber auch als Kontrastmittel für die Erkennung von Tumoren genutzt werden. Übrigens können auch Medikamente über Marker verfolgt werden, um so eine maßgeschneiderte Medikation für Patienten zu entwickeln.

Reinigung von Trinkwasser

Quantenpunkte sind aber auch nützlich um Trinkwasser von schädlichen Bakterien zu reinigen. Dafür verwendet man mit künstlichen Proteinen ausgestattete Silbersulfid-Kügelchen. Diese sind weder für den Menschen noch für die Bakterien giftig. Mit nahinfrarot-Lasern bestrahlt, entwickeln die Quantenpunkte jedoch ein zerstörerische Wirkung auf Bakterien. Das ist nicht nur eine effektive, sondern zugleich auch vergleichsweise günstige und umweltfreundliche Alternative zu bislang gängigen Verfahren.

Quantenpunkte in Sensoren & Solartechnologie

Gerade wegen ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften sind Quantenpunkte auch ideale Bestandteile für Sensoren. Sie sind insbesondere für Kamerasensoren interessant. Die dort verwendeten Quantenpunkte strahlen im Gegensatz zu diversen anderen Einsatzbereichen selbst kein Licht aus. Sie sollen lediglich das Licht absorbieren und in Strom umwandeln. Die Quantenpunkte funktionieren auch unter schlechten Lichtbedingungen sehr gut, was künftig Smartphone-Kameras stark aufwerten könnte. Auch für Infrarot-Kameras oder Wärme-Bilder in der Medizin sind Quantenpunkte bestens geeignet.

Die Möglichkeit Licht in Strom umzuwandeln, bietet auch großes Potential für Solarzellen. Da sie einen größeren Bereich des Lichtspektrums umwandeln können, sind somit viel effizientere Solaranlagen möglich. Hier gibt es aber noch keine Marktreife, da bisherige Vorstöße unter anderem noch nicht langlebig genug sind, um bisherige Solartechnologie flächendeckend abzulösen. Sogar die Anwendung in Gewächshäusern zur gezielten Lenkung von Licht für schnelleres Wachstum sind denkbar. 

Quantencomputer

Um eines vorweg zu nehmen: Auch wenn Quantencomputer sich ebenso quantenmechanische Phänomene zu Nutzen machen, sind Quantenpunkte kein zwingender Bestandteil dieser Computer. Tatsächlich gab es erst 2022 einen ersten vorgestellten Silizium-Schaltkreis auf Basis von Quantenpunkten.

Quantencomputer gelten als große Hoffnung zur Lösung komplexer mathematischer Problemstellungen, kranken aber vor allem daran, dass bisherige Quantencomputer nur nahe am absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) arbeiten. Mit Quantenpunkte ließen sich Quantencomputer deutlich einfacher realisieren. Allerdings gibt es dort noch einige Hindernisse wie die Rechengenauigkeit, die erst noch überwunden werden müssen.

Der Nobelpreis der Chemie für Quantenpunkte

Für ihre Arbeit zu Quantenpunkten wurden gleich drei Wissenschaftler mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. In der Realität ist Wissenschaft aber noch mehr Teamwork und hinter den Auszeichnungen stehen meist ganze Teams von Wissenschaftlern. Aber welche Beiträge zu den Quantenpunkten wurden überhaupt durch den Nobelpreis hervorgehoben?

Die ersten beiden Nobelpreisträger Alexei Ekimov und Louis Brus haben um 1980 in ihren Experimenten in den unabhängig voneinander die größenabhängigen Quanteneffekte beobachtet. Der kalte Krieg verhinderte, dass die beiden Wissenschaftler aus der Sowjetunion und den USA von den Forschungen des jeweils anderen erfuhren. 

Ekimov arbeitete an den Eigenschaften gefärbten Glases und dem Umstand, dass die Farbe von Glas trotz gleicher Zusatzstoffe variiert – abhängig unterschiedlicher Erhitzung und Abkühlung. Dass diese Zusatzstoffe im Glas Nanopartikel bilden war bereits bekannt, doch Ekimovs Studien mit Kupferchlorid fanden erstmals die winzigen Kristalle, ihre Größenunterschiede und den Effekt, den die Größe auf die Farbgebung hat.

Louis Brus machte eine ähnliche Entdeckung mit Partikeln aus Cadmiumsulfid. Seine Arbeitsgruppe beschäftigte sich mit Halbleiterkristallen in Flüssigkeiten auf der Suche nach neuen Katalysatoren für Reaktionen. Eher aus Zufall bemerkte er eine Veränderung der Eigenschaften des Materials, wenn es länger im Labor lag. Außerdem entdeckten sie neben dem Verhalten auf Licht eine ganze Reihe weiterer besonderer Eigenschaften.

Das Problem beider Entdeckungen: Die Ansätze waren nicht in der Lage, Nanopartikel in einer exakten Größe herzustellen. Und hier kam 1993 der dritte Nobelpreisträger Moungi Bawendi ins Spiel, der übrigens ein Ehemaliger Doktorand von Brus ist. Auch Bawendi arbeitete mit einem Lösungsmittel, dass so heiß war, das anorganische Stoffe durch die Hitze sofort zerfallen. Durch Übersättigung beginnt sich das eingespritzte Metall auszukristallisieren, was aber kurz danach durchs Abkühlen des Lösungsmittel stoppt. Durch das kontrollierte Wachstum mittels weiterer Erhitzung ließen sich die Kristalle sehr exakt auf die gewünschte Größe bringen. Mit der neuen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit wurden die Quantenpunkte auch für die Industrie interessant.

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