جهش کوانتومی توسط نقاط کوانتومی

نانوشیمیدان آمریکایی موفق شد کاربردهای جدیدی از نقاط کوانتومی را در سلول‌های خورشیدی و تصویربرداری از مغز را معرفی کند.

کد خبر: ۱۱۸۹۰۳۹

تاریخ: ۲۲ دی ۱۳۹۳ - ۱۵:۴۲

به گزارش گروه دانش خبرگزاری دانا (دانا خبر) و به نقل از سیناپرس، مدیر آزمایشگاه ملی لارنس برکلی نانوشیمیدانی به نام پل آلیویساتوس است که در عین حال عکاس با ذوقی نیز به حساب می‌آید. او برای نمایش عکس‌های خود دستگاه تبلتی به نام کیندل فایر اچ‌دی‌اکس را ترجیح می‌دهد و معتقد است صفحه نمایش رنگی این تبلت از هر دستگاهی بهتر است.

اما او بینندگان را از این نکته مطلع نمی‌کند که وی علاوه بر عکاسی به کمک اختراع فناوری نانو به بینندگان امکان مشاهده رنگ‌هایی چون سبز براق، قرمز زرشکی و آبی نیلی را با مصرف انرژی بسیار کم فراهم می‌کند. در واقع نمایشگر کیندل از فناوری به نام «نانوسیس» که در سال 2001 توسط آلیویساتوس برای تجاری‌سازی نقاط کوانتومی یا کوانتوم دات‌ها راه‌اندازی شد استفاده می‌کند.

آلیویساتوس می‌گوید: « نقاط کوانتومی خلوص رنگ بسیار بالایی را فراهم می‌کنند و می توانند صفحه نمایش رنگی که وسعت رنگ گسترده‌تری دارد ایجاد کنند لذا بسیار چشم نوازند و از لحاظ مصرف انرژی نیز مقرون به صرفه هستند.»

نزدیک به 20 سال پیش بود که آلیویساتوس در آزمایشگاهش به کمک شیمون وایس، نانوبلور کروی ساخته شده از هسته سلنید کادمیوم را در داخل یک پوسته از سولفید کادمیوم مورد سنتز قرار داد. نکته قابل توجه در مورد چنین نقاط کوانتومی این بود که می توانند نور به شدت خالص از هر رنگ را بسته به اندازه خود منتشر کنند.

از آن زمان، نقاط کوانتومی آزمایشگاه برکلی نه تنها در تبلت‌ها، صفحه نمایش کامپیوترها و تلویزیون‌ها مورد استفاده قرار گرفتند، بلکه به ابزارهای تصویربرداری بیولوژیکی و پزشکی نیز راه پیدا کردند. در حال حاضر آزمایشگاه آلیویساتوس در حال بررسی کاربردهای جدیدی از نقاط کوانتومی در سلول‌های خورشیدی و تصویربرداری از مغز است.

از آنجا که اندازه نقاط کوانتومی به راحتی قابل تنظیم است و نقطه‌هایی با اندازه‌های مختلف، رنگهای متفاوتی منتشر می کنند در نتیجه کاربردهای بسیاری می‌توان برای آنها تعریف کرد. آلیویساتوس در این باره می‌گوید: «بیش از هزار گروه تحقیقاتی در دانشگاه‌های سراسر جهان از نقاط کوانتومی در کارهای تحقیقاتی خود استفاده می‌کنند.»

نانوسیس، مستقر در میلپیتاس، کالیفرنیا، در حدود 100 نفر کارمند و تولیدی معادل 25 تن از نقاط کوانتومی در سال دارد که برای استفاده در 10 میلیون تلویزیون کافی است. نقاط کوانتومی نانوبلور معدنی از نیمه هادی‌ها ساخته می‌شود و دسته جدید از مواد را شامل می‌شود. جیان چن سرپرست گروه پژوهشگران نانوسیس می‌گوید: «ویژگی منحصر به فرد این مواد باریک بودن پهنای خط انتشار آنها، در مقیاس 30 نانومتر است که باعث می شود رنگ منتشر شده توسط آنها بسیار خالص باشد. در حقیقت آنها خالص‌ترین مواد تابنده رنگ موجود هستند.»

در صفحه نمایش بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی موجود در بازار امروز از صفحه نمایش‌های کریستال مایع (LCD) استفاده می‌شود، که شامل تابش درخشان نور سفید از طریق مجموعه‌ای از فیلترها برای تولید طیف‌ رنگی است. این صفحات تلفات انرژی بالایی دارند اما نقاط کوانتومی نانوسیس به منظور بهبود عملکرد رنگ و انرژی صفحه نمایش ال سی دی طراحی شده‌اند.

چن می‌گوید: « به نظر می‌رسد که ساختار هسته-پوسته‌ای نقاط کوانتومی که در آزمایشگاه آلیوساتوس سنتز می‌شوند، دلیل اصلی دستیابی به راندمان تبدیل نور بالا است. با استفاده از ساختار هسته-پوسته‌ای، راندمان تبدیل فوتون می تواند نزدیک به 100 درصد باشد. به این صورت که، اگر 100 فوتون به یک نقطه کوانتومی برخورد کنند، تقریبا هر 100 فوتون توسط آن نقطه کوانتومی می‌توانند منتشر شوند.»

نانوسیس ادعا می‌کند که فناوری آن باعث شده است که راندمان انرژی صفحه نمایش 20 درصد بیشتر شود، به این معنی که عمر باتری دستگاه بیشتر خواهد بود. جف یورک، سخنگوی نانوسیس می‌گوید: « بیست درصد به نظر مقدار زیادی نیست، اما اگر بدانید که به طور کلی صفحه نمایش نیمی از انرژی یک تبلت یا دستگاه الکترونیکی را به خود اختصاص می‌دهد، به این نتیجه خواهید رسید که این مقدار صرفه‌جویی در مصرف انرژی دستگاه پیشرفت بزرگی به حساب می‌آید. همچنین نانوسیس ممکن است یک برنامه نورپردازی برای نقاط کوانتومی در آینده ایجاد کند. نقاط کوانتومی پربازده‌ترین گسیل‌دهنده نور در دنیا هستند، که تقریبا بازده ای نزدیک به 100 درصد دارند و کاربردهای جالبی از منظر روشنایی می‌توان برای نقاط کوانتومی تعریف کرد. حتی می توان بازده لامپ ال‌ای‌دی را افزایش داد به گونه‌ای که کیفیت رنگ لامپ‌های رشته‌ای را نیز داشته باشد.»

آلیویساتوس شرکت کوانتوم داتی دیگری به نام «کوانتوم دات کورپ» را در سال 1998 به منظور تجاری‌سازی استفاده از نقاط کوانتومی برای برچسب زدن شب تاب به بافت‌های بیولوژیکی تاسیس کرد، که این فناوری در حال حاضر در ابزار‌های تصویربرداری بیولوژیکی و پزشکی ساخته شده توسط شرکت ترمو فیشر ساینتیفیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در ضمن، آلیویساتوس همچنان بر روی کاربردهای دیگر نقاط کوانتومی تحقیق می‌کند. یکی از اصلی‌ترین حوزه‌های پژوهش او مغز است که موضوع بزرگترین ابتکار علمی سال 2013،«تحقیقات مغز از طریق پیشبرد نوآوری در فناوری‌های نورونی» از سوی اوباما رییس جمهور آمریکا اعلام شد.

برای فعالیت مغز، نقاط کوانتومی شناخته شده برای اندازه گیری پتانسیل غشاء در نورون‌ها و مانند آن‌ها چندان مفید نیستند، اما ایده‌های بسیاری برای ایجاد نسل جدیدی از نقاط کوانتومی که می توانند حساس به انتقال دهنده‌های عصبی باشند وجود دارد، که پتانسیل بالقوه‌ای برای تصویربرداری عصبی محسوب می‌شود. یورک می‌گوید: «هرچند در مراحل ابتدایی ایجاد نسل جدید نقاط کوانتومی هستیم اما به طور مصمم بر روی چنین مواردی کار می‌کنیم.»

یکی دیگر از کاربردهای امکان پذیر نقاط کوانتومی در سلول‌های خورشیدی است، که تمرکز اصلی نانوسیس را از زمان شروع به کار این شرکت به خود اختصاص داده است. آلیویساتوس می‌گوید: « برای مدت کوتاهی من از کاربرد نقاط کوانتومی در سلول‌های خورشیدی ناامید شده بودم اما اخیرا، بیشتر توجه خودمان را به عنوان بخشی از مرکز تحقیقات انرژی مرزی با همکاری گروهی از Caltech و دانشگاه ایلینوی (در مرکز تحقیقاتی برهم‌کنش نور و ماده در تبدیل انرژی به سرپرستی موسسه فناوری کالیفرنیا) به این موضوع اختصاص داده‌ایم.

ما ایده‌هایی جالبی برای بخش متمرکز کننده لومینسانس داریم، که در آن بخش نقاط کوانتومی ممکن است مزایای بسیار قابل توجهی برای سلول‌های خورشیدی به ارمغان بیاورد. بنابراین ما ایده خام و جدیدی داریم که هنوز در آزمایشگاه ثابت نشده است، اما در اوایل کار به نظر امیدوار کننده است.»