Nuo vėžio gydymo iki spartesnio interneto: kvantinius taškus siekia panaudoti ir lietuvių mokslininkai

Kvantiniai taškai – tai į vieną darinį laboratorijoje „suklijuoti“ atomai, kurių gali būti nuo 10 iki 10 tūkstančių. Dėl to kartais jie vadinami „dirbtiniais atomais“ arba „dirbtinėmis molekulėmis“. Įdomu tai, kad, priklausomai nuo dydžio, keičiasi jų savybės; skirtingo dydžio taškai gali švytėti skirtingomis spalvomis – nuo violetinės iki ryškiai raudonos (o gali būti ir plika akimi nematomi infraraudonieji arba ultravioletiniai spinduliai). Todėl, kaip taikliai pastebėjo Švedijos Karališkoji mokslų akademija, kvantiniai taškai nanotechnologijoms suteikė spalvų.

Taip pat įdomu, jog jau šiandien galima pamatyti konkrečią, apčiuopiamą šio atradimo naudą – tereikia užsukti į bet kurią didesnę buitinės technikos parduotuvę ir stabtelti televizorių skyriuje. O galbūt kvantiniai taškai jau „darbuojasi“ jūsų namuose!

Milijonų milijonai šių plika akimi nematomų fizikinių dalelių vaizdą televizoriaus ekrane paverčia kur kas labiau tikrovišką, o spalvas – natūralesnes, šiltesnes ir ryškesnes. Tai vadinama QLED (angl. Quantum Light Emitting Diodes – kvantinių šviestukų) technologija, ir apie ją žiniasklaida rašė daugiausiai, pristatydama šių metų Nobelio chemijos premijos svarbą.

Tačiau ekranai – anaiptol ne vienintelė sritis, kurioje kvantiniai taškai gali atlikti svarbų vaidmenį. O Nobelio chemijos premijos laureatai – ne vieninteliai pasaulyje, kurie užsiima šia technologija. Ją vysto ir lietuviai – Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) chemikai ir fizikai.

Aptikus priešą – raudonas signalas

Pirmiausia – chemija. Kuo kvantiniai taškai gali praversti šioje srityje? Juos 2019 m. kūrė (moksliškiau kalbant – sintetino) FTMC Elektrocheminės medžiagotyros skyriaus darbuotoja dr. Agnė Sukovienė, ir tai buvo jos daktaro disertacijos darbo dalis.

Mokslininkė naudojo aukso atomus, kuriuos „lipdė“ tirpale, kol susidarydavo kvantiniai taškai, susijungę iš 56 tokių atomų. Kad toks darinys ryškiau švytėtų ir būtų labiau apsaugotas, jis dar turėjo globulę – „apvalkalą“, susidariusį iš denatūruoto (natūralias savybes praradusio) jaučio kraujo serumo baltymo.

Tiesa, čia šiek tiek skiriasi mokslininkų požiūris dėl terminų. Liuminescensinėmis (švytėjimo) savybėmis pasižyminčias molekules fizikai įprastai vadina kvantiniais taškais, tačiau chemikų būrelyje greičiausiai išgirstumėte „klasterio“ pavadinimą. Taigi, pasak Agnės, ji dirba su 56 aukso atomų klasteriais, kurie kituose kontekstuose vadinami ir kvantiniais taškais. Tačiau techniškai tai yra vienas ir tas pats.

Beje, nors kvantiniame lygmenyje 56 aukso atomų klasteris laikomas dideliu, jis yra vos apie du nanometrus dydžio. Nanometras – viena milijoninė milimetro dalis. Neapsakomai mažyčiai dariniai, kurie, tikimasi, turės milžinišką reikšmę vėžio diagnostikoje.

FTMC chemikė pasakoja, kad tokio dydžio aukso klasteriai-kvantiniai taškai švyti raudonai, kai būna žadinami regimojo spektro 470 nanometrų bangos ilgio šviesa. Tai itin svarbu: tikslingai prie jų prikabinus atitinkamus receptorius (papildomus junginius), tokie dariniai gali prisijungti išskirtinai tik prie vėžinių ląstelių, o aukso klasterių švytėjimo pagalba mokslininkai gali nustatyti šių ląstelių sankaupų vietas.

„Aukso klasterius pirmiausia naudojome tyrimams su piktybinėmis ir nepiktybinėmis krūties naviko ląstelėmis. Pavyko išgauti atsekamumą ir atsikartojimą, pamatėme, kad klasteriai labiau prisijungia ir švyti prie piktybinių ląstelių“, – sako A. Sukovienė. 

Šiuos tyrimus FTMC atlieka kartu su Nacionaliniu vėžio institutu, ir minima technologija yra daug žadanti. Vis dėlto, kaip dažnai būna, iki tikro gydymo žmogaus kūne reikia dar daugybės eksperimentų ir tobulinimų:

„Visi tyrimai kol kas buvo atlikti in vitro, ir kol kas problemiška vertinti citologiškumą, t. y. kaip vėžio ląstelė veikia. Mūsų tirpalo terpė buvo ganėtinai šarminė, 12 pH. Šį rodiklį žeminant ir besistengiant pasiekti neutralų, kraujo, pH (vykdant praplovimus, dializes, iš tirpalo pašalinant nereikalingas medžiagas), aukso klasterių švytėjimo intensyvumas krito. Jie skleidė raudoną šviesą, bet sutrumpėjo švytėjimo trukmė, todėl turėjome labai greitai atlikti tyrimus.

Taigi, dalis citologiškumo klausimo kol kas lieka neužbaigta, šia problemą jau bando spręsti Vėžio institutas.“

Agnė Sukovienė su komanda vėžio detekcijai bandė naudoti ir mažesnius – 32 aukso atomų – kvantinius taškus, kurie skleidžia mėlyną šviesą. Tačiau mokslininkė pamatė, kad jos eksperimentams tai nelabai tinka.

FTMC chemikė ir toliau ieško sprendimų, kaip priartinti tą dieną, kai Nobelio premijos autorių atradimas padės gydyti žmones. Jos daktaro disertacijos tema apjungė dvi sritis – aukso klasterius ir magnetines nanodaleles, šiuo metu vyksta tolesni tyrimai. Ko tikimasi iš tokio „tandemo“?

„Švytintys kartu magnetiniai aukso klasteriai mums parodytų, kur žmogaus organizme yra konkreti vėžinė vieta, o išorinio magnetinio lauko dėka galėtų vykti lokalus gydimas. To siekiame, tik kol kas arba netenkame magnetinių savybių, arba fotoliuminescencijos. Vieno „optimalaus taško“ dar neturime“, – sako A. Sukovienė.

Kas sieja laboratoriją ir bažnyčios vitražus?

Jeigu chemikai kvantinius taškus „sulipdo“ tirpale, fizikai juos „kietu pavidalu“ augina laboratorijoje. Tai vyksta ir FTMC, kur gimsta cheminio elemento, puslaidininkio bismuto kvantiniai taškai. Toks procesas vadinamas kvantavimu.

„Man patiko populiariame straipsnyje išsakyta Nobelio premijos davėjų mintis, kad sugebėjimas sumažinti daleles atveria visiškai naują matmenį medžiagų moksle. Medžiagų savybės priklauso nuo to, kiek elektronų turi atomas, iš kurio susidaro tos medžiagos. Iš to turime Mendelejevo lentelę.

Jeigu ją įsivaizduotume kaip popieriaus lapą, tai kvantavimas jį tartum „iškeltų į viršų“, suteiktų dar vieną matmenį, nuo kurio pasikeičia medžiagų savybės. Yra išleista straipsnių apie tai, dabar bandom tai įveiklinti su bismutu“, – pasakoja FTMC Optoelektronikos skyriaus mokslininkas stažuotojas dr. Augustas Vaitkevičius.

Vaizdžiai kalbant, fizikinis kvantavimas vyksta, kai medžiaga suspaudžiama, sumažinama taip stipriai, kad jos elektronų galimybės tampa labai apribotos. Šios dalelės tartum „uždaromos į dėžutę“ (tiksliau, į matricą, formuojant daugiasluoksnius atominius darinius tarp puslaidininkių lakštų) – kad būtų tik ten, kuri reikia. Ir atliktų tik tuos veiksmus, kurių mokslininkui reikia.

„Metale elektronas visiškai nesuvaržytas, tuo metu puslaidininkiuose yra tam tikrų ribojimų. O visiškai mažose struktūrose atsiranda labai konkrečios energijos ir padėtys, kurios leistinos elektronams“, – sako Augustas, pridurdamas, jog puslaidininkiniai aliuminio galio arsenido lakštai „uždaro“ atomus, kad šie neišsilakstytų bet kur.

Būtent tarp šių lakštų, „sumuštinio“ viduje, atomai sukimba ir susidaro kvantiniai taškai. Tam dar reikia didelio (apie 750 °C) karščio. O kad tai įsivaizduoti mums būtų lengviau, pagalvokime apie... vitražus bažnyčiose!

„Kvantavimas yra fizikinis reiškinys, kuris nutinka, nori to ar ne. Mes tą darom jau tūkstančius metų. Bažnyčioms reikėdavo spalvotų langų, todėl specialios sudėties stiklas būdavo kaitinamas, kol pasidarydavo norimos spalvos. Vienas iš žmonių, gavusių Nobelio fizikos premiją, Aleksejus Jekimovas, parodė, kad tokiame stikle susiformuoja vienodo dydžio dalelės – kvantiniai taškai“, – paaiškina A. Vaitkevičius.

FTMC fizikai daro panašiai – paima medžiagą, ją kaitina, ir jos atomai „sušoka“ į norimo dydžio taškus. Tik, žinoma, viskas vyksta gerokai sudėtingiau nei kuriant vitražus.

Kvantiniai kanalai ir šuliniai

Kvantinis „sumuštinis“ kaitinamas FTMC švariosiose patalpose, konkrečiai – didžiuliame molekulinių pluoštelių epitaksijos įrenginyje arba specialiose krosnyse. Kaip pasakoja šiose laboratorijose dirbanti FTMC Optoelektronikos skyriaus vyresnioji mokslo darbuotoja dr. Renata Butkutė, tai yra lankstu ir patogu: visi bandiniai auginami, sudedami į „sumuštinį“ ir „iškepami“ praktiškai vienoje vietoje.

Kas dar patogu – galima keisti tarpelio, esančio tarp dviejų kvantinių lakštų, storį. Nuo jo priklausys, kokio dydžio (ir šviesos spektro) viduje susidarys kvantiniai taškai. „Be to, šiuos taškus turime iškart puslaidininkiniame darinyje, kuris gali būti pridėtas į kitą įrenginį“, – sako R. Butkutė.

Kadangi kvantiniai taškai yra supermažyčiai, yra tik keletas mokslinių įrankių, leidžiančių nustatyti, ar stebimas darinys tikrai yra kvantinis taškas. Vieną tokių įrankių – peršviečiamųjų elektronų mikroskopą – yra įvaldęs FTMC Medžiagų struktūrinės analizės skyriaus mokslininkas dr. Martynas Skapas. Tuo metu Augustas Vaitkevičius naudojasi kita įranga, įgalinančia iš labai mažo ploto nustatyti kvantinius taškus ir stebėti jų švytėjimą (mikroliuminescenciją).

R. Butkutė pasakoja, kad ji su kolegomis tyrinėja ir visai kitą kvantinių taškų formavimo būdą, kuris iki tol pasaulyje nebuvo pademonstruotas. Tai – bismuto kvantinių taškų formavimas dėl segregacijos. Ką tai reiškia?

„Mes auginame puslaidininkinę medžiagą galio arsenido bismidą. Kad tai įvyktų, į galio arsenido sluoksnį reikia įterpti bismuto atomą. Tai padaryti būna labai sunku, nes bismuto atomas palyginti didelis, jis „plūduriuoja“ paviršiuje, ir tas perteklius yra tikras trukdis. Tačiau, jeigu mokslininkai negali kovoti su pašaliniu efektu, jie sugalvoja, kaip tai paversti teigiamu dalyku.“

Fizikų komanda nusprendė bismutą įterpti kitur – tarp anksčiau minėtų aliuminio galio arsenido kvantinių lakštų. Užauginus struktūrą ir ją paskui pakaitinus aukštoje temperatūroje, bismutas jau nebegali ištrūkti į paviršių ir ima kauptis viduje, kanale, šitaip sudarydamas kvantinius taškus.

„Yra angliškas terminas dots-in-a-well (DWELL). Mums pavyko padaryti, kad bismutas neišgaruotų, bet susikauptų į kvantinius taškus bei kontroliuoti jų dydį.

Optoelektronikos skyriaus kolegos dr. Evelina Dudutienė ir dr. Vytautas Karpus paskaičiavo, kad jeigu bismutas yra storesnis nei 60 nanometrų, jis yra pusmetalis, bet jeigu jį sumažini, jis tampa puslaidininkiu. Ir tik puslaidininkiai turi savybę kvantuotis, kaip chameleonai keisti savybes“, – sako R. Butkutė.

Kvantiniai taškai spartesniam internetui

Apie techninius dalykus šiek tiek išsiaiškinome. O kur visai tai bus taikoma praktiškai?

FTMC fizikai kalba apie telekomunikacijų sritį. Tikslas – sukurti stabilius kvantinius taškus, kurių dydis būtų nuo 7 iki 8 nanometrų ir kad jie skleistų 1,55 mikrometrų ilgio artimąją infraraudonajai šviesą. Pasak A. Vaitkevičiaus, toks švytėjimas labai praverstų internetą tiekiančiuose šviesolaidžiuose:

„Visąlaik norime, kad prietaisai naudotų mažiau elektros. Kad jie būtų kuo siauresnio šviesos bangos ilgio, kuo greitesnių impulsų, kad greičiau įsijungtų ir išsijungtų... Yra daug parametrų, kuriems pasiekti ieškoma naujų medžiagų, prietaisų, priėjimų. Mes dar esame nuo to labai toli – mes tik gaminam kristaliuką, kurį kažkas kitas įdės į kitą daiktą, kuris tada spinduliuos. Bet mintis tokia: mes norime geresnio interneto.“

E. Dudutienė, tyrinėjusi bismuto kvantinius taškus, už savo darbus šiemet pelnė verslo asociacijos INFOBALT stipendiją. Ji skirta jauniesiems mokslininkams, mokslo ir verslo bendradarbiavimui skatinti – o apdovanoti buvo moksliniai darbai, galintys tapti perspektyviais lazerių kūrimui telekomunikacijų srityje. Tokie lazeriai būtų naudojami serverinėse, jų nereikėtų vėsinti, nes veiktų kambario temperatūroje. O aktyviojoje lazerio šerdyje, tikimasi, „dirbtų“ kvantiniai taškai, spinduliuojantys minėtą 1,55 mikrometrų bangos ilgio šviesą.

Tokio pobūdžio lazeriai jau dabar demonstruoja geresnes savybes, tačiau viskas – dar tik eksperimentų lygyje, ir iššūkių apstu. Kaip padaryti, kad kvantinių taškų atsirastų labai daug (pvz., nuo milijardo iki trilijono kvadratiniame centimetre)? Kad jie atsikartotų, vienu metu šviestų užtektinai ilgai? Tam reikia nagrinėti pačius fizikos pagrindus, todėl tai yra itin gilus mokslas. Vis dėlto, pasak R. Butkutės, pamažu judama į priekį:

„Augusto [Vaitkevičiaus], Evelinos [Dudutienės] ir Martyno [Skapo] disertaciniai tyrimai veda į bendrą fundamentinį žinojimą, kuris vėliau atneš rezultatų. Tai yra labai svarbu.“

Pasak fizikės Renatos, pati svarbiausioji sritis, kurioje daug tikimasi iš kvantinių taškų – tai pačioje pradžioje minėtoji medicina: lazeriai, kurie galėtų atlikti itin tikslius vėžio žymenų tyrimus, arba patys taškeliai, kurie parodytų, kurioje tiksliai žmogaus organizmo vietoje slepiasi vėžys, jo užuomazgos.

„Labai sunku pasakyti, koks yra galimas kvantinių taškų proveržis, nes tai susiję su labai giliai fundamentiniais dalykais. Tačiau pritaikymų gali būti pačių įvairiausių –televizoriai, audinių vaizdinimas, vaistų pristatymas (kai vaistas paveikia konkretų reikiamą audinį), geresni lazeriai, kokybiškesnis internetas, ir t. t.“, – priduria A. Vaitkevičius.

Simonas Bendžius, Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC)