Der Nobelpreis für Chemie 2023 konzentrierte sich auf Quantenpunkte – Objekte, die so winzig sind, dass sie durch die seltsamen und komplexen Regeln der Quantenphysik gesteuert werden. Viele in der Elektronik verwendete Quantenpunkte werden aus toxischen Substanzen hergestellt, aber ihre ungiftigen Gegenstücke werden derzeit für den Einsatz in der Medizin und in der Umwelt entwickelt und erforscht. Ein Forscherteam konzentriert sich auf Quantenpunkte auf Kohlenstoff- und Schwefelbasis und nutzt sie, um sicherere unsichtbare Tinten herzustellen und zur Dekontamination der Wasservorräte beizutragen.
Ihre Ergebnisse stellen die Forscher heute auf der vor Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS).
Quantenpunkte sind synthetische Halbleiterkristalle im Nanometerbereich, die Licht emittieren. Sie werden in Anwendungen wie elektronischen Displays und Solarzellen eingesetzt. „Viele herkömmliche Quantenpunkte sind giftig, weil sie aus Schwermetallen hergestellt werden“, erklärt Md Palashuddin Sk, Assistenzprofessor für Chemie an der Aligarh Muslim University in Indien. „Wir arbeiten also an nichtmetallischen Quantenpunkten, weil sie umweltfreundlich sind und in biologischen Anwendungen eingesetzt werden können.“
Bildnachweis: American Chemical Society
Quantenpunkte sind winzig – normalerweise haben sie nur einen Durchmesser von mehreren zehn Atomen. Da sie so klein sind, werden ihre Eigenschaften durch Quanteneffekte gesteuert, wodurch sie sich im Vergleich zu größeren Objekten etwas seltsam verhalten. Sie strahlen nämlich Licht anders aus, als man erwarten würde; Beispielsweise erscheinen Goldmaterialien auf dieser Skala blau. Nichtmetallische Quantenpunkte zeigen den gleichen Effekt und wurden von anderen Forschern als Werkzeug für die Biobildgebung untersucht. Palashuddin hat sich auf die Entwicklung von Quantenpunkten auf Kohlenstoff- und Schwefelbasis (Cdots bzw. Sdots) für eine Vielzahl anderer Anwendungen konzentriert.
„Kohlenstoff und Schwefel sind sehr häufig vorkommende, kostengünstige Materialien und können leicht zu Quantenpunkten synthetisiert werden“, sagt er. „Man kann Kohlenstoffpunkte aus Abfallmaterialien herstellen und sie dann zur Entfernung von Schadstoffen verwenden – sie sind eine Möglichkeit, den Kreis des Prozesses zu schließen.“
Palashuddin hat Cdots und Sdots bereits auf vielfältige Weise eingesetzt, obwohl es sich bei beiden um relativ junge Entdeckungen handelt. Obwohl sie klein sind, verfügen die Punkte über eine große Oberfläche, die leicht funktionalisiert werden kann, um die Punkte für verschiedene Anwendungen anzupassen. Zuvor entwarf das Team Punkte, die je nachdem, auf welche Schadstoffe sie stießen, in unterschiedlichen Farben leuchteten. Das bedeutete, dass sie dabei helfen konnten, Verunreinigungen wie Blei, Kobalt und Chrom in einer Wasserprobe zu identifizieren, ohne neue Metalle aus den Punkten selbst auszulaugen.
Neben der Identifizierung von Schadstoffen können Cdots dabei helfen, Schadstoffe wie Pestizide und Farbstoffe im Wasser abzubauen. In einem Projekt formten Palashuddin und sein Mitarbeiter Amaresh Kumar Sahoo, ein Assistenzprofessor, der Nanobiotechnologie am Indian Institute of Information Technology studiert, Cdots aus Kartoffelschalen und montierten sie dann auf mikroskopisch kleinen Robotern, die giftige Farbstoffe in Proben angreifen und abbauen sollen, um verschmutztes Wasser zu simulieren.
Das Team hat außerdem Methoden entwickelt, um Schadstoffe vollständig aus dem Wasser zu entfernen, anstatt sie nur zu identifizieren oder abzubauen. Sie haben speziell Cdots zum Aufsaugen von Autoöl entwickelt und erforschen derzeit ein Cdot-basiertes Filtersystem zur Behandlung von Ölverschmutzungen.
Als nächstes planen die Forscher, ihre Laborergebnisse in der Praxis umzusetzen, möglicherweise in einem Projekt mit Schwerpunkt auf dem Yamuna-Fluss. Dieser Fluss fließt direkt durch Neu-Delhi und ist bekanntermaßen verseucht, insbesondere in dichter besiedelten Gebieten. Palashuddin hofft, mithilfe der nichtmetallischen Punkte seines Teams die verschiedenen Schadstoffe im Fluss identifizieren und trennen zu können, darunter Pestizide, Tenside, Metallionen, Antibiotika und Farbstoffe. Im Idealfall werden die Punkte so funktionalisiert, dass sie möglichst viele dieser unterschiedlichen Verunreinigungen auf ihrer Oberfläche erfassen, sodass sie anschließend leicht entfernt werden können.
Die Einsatzmöglichkeiten nichtmetallischer Punkte beschränken sich jedoch nicht nur auf die Wasseraufbereitung. Palashuddin und Kollegen untersuchen derzeit Anwendungen, die eher mit herkömmlichen, metallbasierten Punkten übereinstimmen könnten, jedoch ohne Bedenken hinsichtlich der Toxizität. Beispielsweise könnten einige vom Team entwickelte lichtemittierende Quantenpunkte in unsichtbare Tinten eingearbeitet werden, um Fälschungen zu verhindern, oder in lichtemittierende Geräte, einschließlich Fernsehbildschirme, integriert werden.
Das Team hofft, dass ihre Arbeit dazu beitragen kann, die Einsatzmöglichkeiten nichtmetallischer Quantenpunkte zu erweitern und ihre einzigartigen Eigenschaften in der Umwelt einzusetzen.