Химики определили точный механизм синтеза квантовых точек
Американские химики определили точную схему химических превращений, происходящих при синтезе квантовых точек из селенида кадмия. Благодаря этим результатам удастся повысить воспроизводимость реакций получения квантовых точек, пишут химики в статье в Nature Communications.
Квантовые точки — полупроводниковые кристаллические частицы размером несколько нанометров — привлекают ученых своими уникальным оптическим свойствам, которыми можно управлять, изменяя размер частиц. Из-за квантово-размерных эффектов, разница между энергетическими уровнями валентных электронов и электронов проводимости в наночастицах не соответствует ширине запрещенной зоны в объемном полупроводнике того же состава и зависит от размера частицы. И именно она определяет длину волны света, который квантовая точка будет поглощать и испускать. Несмотря на то, что изучением квантовых точек занимаются уже около 30 лет, точно механизм их образования и роста при синтезе изучен не был. Поэтому чтобы получать частицы нужного размера приходилось, в первую очередь, использовать метод проб и ошибок.
Чтобы обеспечить больший контроль над синтезом квантовых точек и повысить воспроизводимость реакций их получения, американские химики Лея Френетт (Leah C. Frenette) и Тодд Краусс (Todd D. Krauss) из Рочестерского университета рассмотрели механизм роста одних из наиболее популярных квантовых точек из селенида кадмия CdSe. Сейчас эти квантовые точки получают, используя для этого термолитическое разложение металлорганических соединений кадмия и селенидов третичных фосфинов. При этом происходит образование мономера квантовой точки — ядра нуклеации, к которому потом прикрепляются новые атомы селена и кадмия, постепенно формируя небольшую частичку кристалла нужного размера. В своей работе химики выбрали в качестве реактивов для получения квантовых точек карбоксилат кадмия и селенид трибутилфосфина и изучили состав реакционной смеси in situ, то есть в ходе протекания реакции. Для определения промежуточных составов реакционной смеси ученые использовали метод ядерного магнитного резонанса с использованием изотопа селена-77.
Оказалось, что используемые химические реактивы (как и остальные вещества подобного состава, которые используются сейчас), не реагируют друг с другом непосредственно с образованием мономера. Вместо этого, они распадаются независимо с образованием очень реакционно-способных промежуточных веществ, содержащие кадмий и селен — селеноводорода H2Se и кадмий-алкилов — то есть именно тех соединений, которые использовались для получения таких квантовых точек еще 20 лет назад. При этом на конечные свойства образующихся квантовых точек влияют три химических процесса. Первые два — как раз реакции термического распада начальных реагентов. Третий процесс — это дальнейшее разложение образовавшихся промежуточных веществ, однако, по словам ученых, эта реакция имеет значительно меньшее влияние по сравнению с первыми двумя.
Авторы работы утверждают, что обнаруженные ими механизмы позволят в будущем точнее управлять составом и концентрацией промежуточных соединений, что приведет к повышению чистоты образующихся квантовых точек и воспроизводимости используемых методов их получения.
Чтобы исследовать механизм образования и роста квантовых точек, часто приходится предлагать довольно сложные механизмы. В частности, недавно американские химики разработали специальную микрофлюидную платформу с подвижным оптическим анализатором, двигающимся вдоль реактора, в котором происходит синтез перовскитных квантовых точек.
Александр Дубов
Это подтвердили лабораторные эксперименты
Астрономы путем лабораторных экспериментов подтвердили идею образования красной окраски тел Пояса Койпера за счет облучения галактическим космическими лучами льдов, содержащих органические вещества. За красный цвет Макемаке или Орка могут в первую очередь отвечать ароматические углеводороды, такие как фенантрен. Статья опубликована в журнале Science Advances. Пояс Койпера представляет собой обширную область за пределами орбиты Нептуна, населенную более чем ста тысячами тел, богатых льдом и оставшихся после формирования Солнечной системы. Наблюдения за этими объектами выявили наличие на них замороженных летучих веществ, таких как метан, аммиак, вода, угарный и углекислый газ, и метанол, а также разнообразие в окраске, видимой в оптическом диапазоне — от синеватого до ультракрасного. Предполагается, что цвет может быть результатом вариаций состава исходного вещества из протосолнечной туманности или же быть связанным с эволюцией поверхностного слоя транснептуновых объектов под действием ионизирующего излучения. В частности, красноватый цвет связывают с наличием толинов — тугоплавких, полимероподобных органических веществ, образовавшихся в результате воздействия на льды частиц космических лучей и излучения Солнца. Понимание природы цвета транснептуновых объектов важно для определения механизмов их эволюции, а также роли в зарождении жизни на Земле, так как короткопериодические кометы, способные доставлять на Землю воду и органические вещества, могут быть из Пояса Койпера. Группа астрономов во главе с Ральфом Кайзером (Ralf I. Kaiser) из Гавайского университета представила результаты поисков природы красноватой окраски некоторых объектов пояса Койпера. Они проанализировали данные спектроскопических исследований поверхностей транснептуновых объектов и сравнили их с результатами лабораторных экспериментов по облучению льдов в сверхвысоком вакууме. В работе в качестве реальных представителей Пояса Койпера рассматривались красноватые тела, расположенные на расстоянии от 39 до 44 астрономических единиц от Солнца, такие как карликовая планета Макемаке и кандидаты в карликовые планеты Орк и Салация. В экспериментах велось облучение электронами метанового (13CH4) и ацетиленового (13C2H2) льдов дозами до 80 электронвольт на атомную единицу массы при температурах от 10 до 40 кельвинов. Таким образом ученые имитировали облучение углеводородов на поверхностях тел Пояса Койпера потоком галактических космических лучей на протяжении времени до 1800 миллионов лет при дистанции около 40 астрономических единиц от Солнца. Льды, содержащие изотоп 13С, брались специально, чтобы учитывать только результаты экспериментов. Оказалось, что ароматические соединения, содержащие до трех бензольных колец, такие как фенантрен (C14H10), фенален (C9H10) и аценафтилен (C12H8), играют ключевую роль в получении красноватых цветов. При этом покраснение и потемнение льдов сопровождается выделением молекулярного водорода в газовую фазу, что ведет к истощению содержания водорода и обогащению углеродом. Самая высокая доза облучения дала более красный цвет льдам, чем наблюдаемые в природе, особенно для облученного ацетилена. Это может означать либо то, что ацетилена на телах Пояса Койпера меньше, чем кажется, или что время облучения космическими лучами ограничено, например, бомбардировкой микрометеоритами. Кроме того, выяснилось, что, хотя цвета облученных льдов сильно зависят от дозы облучения, они инвариантны по отношению к температуре при нагревании образцов от 10 до 300 кельвинов во время экспериментов по выделению молекулярного водорода. Это контрастирует с отсутствием ультракрасных цветов комет и других тел, прибывших во внутреннюю Солнечную систему из внешней. Возможно это связано с тем, что облученное вещество может быть выброшено с поверхности объекта или погребено под новыми слоями. В дальнейшем ученые планируют расширить список льдов, с которыми будут вестись эксперименты по облучению — это будут льды из двух и трех компонентов, а также с минеральными добавками. Вы хорошо знаете обитателей пояса Койпера и окрестностей? Пройдите наш тест «Занептуныши», посвященный его населению.