جایزه نوبل شیمی سال 2023 به کشف و توسعه کوانتوم دات داده شد، نانو ماده ای که بطور روز افزون مورد توجه قرار گرفته و کاربردهای وسیعی در تکنولوژی های روز دنیا پیدا کرده است. پیدایش کوانتوم دات ها به حدود 50 سال پیش بر می گردد و توسعه این مواد از آن زمان تا کنون دارای پیشرفت های زیادی بوده که باعث شده است در سال های اخیر این نانو ماده ارزشمند بصورت تجاری در صنایع الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد. در این مقاله قصد داریم کوانتوم دات ها را معرفی کنیم و به بررسی کاربرد های متنوع آنها بپردازیم.
کوانتوم دات و ساختار آن
موجودیت این ماده جدید چیست و چرا عنوان “کوانتوم دات” به آن داده شده است؟ کوانتوم دات ها (Quantum Dots) نانو ذراتی هستند فوق العاده کوچک از جنس عناصر نیمه هادی (Semiconductors) که اندازه ذره آنها 10 – 1 نانومتر بوده و خواص فیزیکوشیمیایی آنها بر خلاف سایر مواد (مولکولی و بالک) بر اساس پدیده های کوانتومی تعیین می گردد.
بر اساس مباحث فیزیک کوانتوم، زمانیکه یک ماده تا مقیاس نانومتری کوچک می شود اثرات کوانتومی از خود بروز می دهند که این پدیده ها تحت تاثیر تنها یک پارامتر یعنی اندازه ذره قابل کنترل هستند. با توجه به توضیحات داده شده مشخص می شود که چرا به این دسته جدید از مواد کوانتوم دات گفته می شود. کوانتوم دات ها نه ماده ای بالک هستند و نه ماده ای مولکولی بلکه موادی متشکل از صد تا ده هزار اتم می باشند.
برای درک بهتر کوانتوم دات ها، رفتار و خواص آنها از یک مثال استفاده می کنیم. یکی از مشخصه های بارز کوانتوم دات ها خواص نوری (Optical properties) این مواد می باشد. کوانتوم دات ها انرژی نور را جذب می کنند و بسته به ابعادی که دارند نور جذب شده را به رنگ های مختلف (طول موج های متفاوت) منتشر می نمایند.
همانطور که قبلا گفته شد کوانتوم دات ها ذراتی با اندازه فوق العاده کوچک می باشند که اندازه کوچک آنها باعث شده است تا اثرات کوانتمی از خود نشان داده و باعث شوند تا ذرات قابلیت حفظ تعداد محدودی از الکترون ها را درون خود داشته باشند. زمانیکه ابعاد ذرات کاهش شدیدی پیدا می کند و ذرات تبدیل به کوانتوم دات می شوند فضای الکترون های درون ذرات نیز کاهش می یابد. الکترون ها دارای انرژی هستند و انرژی نیز با طول موج (یا رنگ) رابطه دارد. الکترونی را فرض کنید که درون یک کوانتوم دات وجود دارد؛ وقتی ابعاد کوانتوم دات بزرگ باشد فضای بیشتری برای موج الکترونِ درون آن وجود دارد (یعنی الکترون دارای طول موج بلند می باشد) و زمانیکه ابعاد کوانتوم دات کوچک باشد فضای موج الکترون نیز کوچک است (یعنی طول موج الکترون کوتاه است).
طیف نور مرئی دارای رنگ های متفاوتی می باشد که هر کدام از آنها دارای طول موج های متفاوت (بلند و کوتاه) هستند. وقتی کوانتوم داتی با ابعاد 2 نانومتر تحت امواج قرار می گیرد آنها را جذب کرده و سپس آنها را به رنگ آبی منتشر می کند (بعلت کوچک بودن طول موج الکترون درون ذره) اما کوانتوم دات 7 نانومتری همان امواج جذب شده را به رنگ قرمز انتشار می دهد (بعلت بزرگ بودن طول موج الکترون درون ذره). بنابراین مشخص می شود که رنگ نور منتشر شده توسط کوانتوم دات ها تنها با کاهش و یا افزایش اندازه ذره آنها قابل کنترل می باشد. در تصویر زیر شماتیکی از خواص نوری منحصر بفرد کوانتوم دات ها نشان داده شده است. با توجه مثالی که ذکر شد باید گفت که سایر خواص این نانو ماده جدید نیز تابعی از اندازه ذره آن بوده و با تغییر اندازه ذره می توان خواص دیگر کوانتوم دات ها را کنترل نمود.
(شماتیکی از خواص نوری کوانتوم دات ها و قابلیت کنترل این ویژگی توسط تغییر اندازه ذره)
ساختار سطحی کوانتوم دات
در بخش قبلی در مورد ساختار اصلی و مرکزی کوانتوم دات ها صحبت کردیم و لازم است تا در مورد ساختار سطحی این نانو مواد توضیح دهیم. اندازه ذره بسیار کوچک کوانتوم دات ها باعث شده است تا این مواد از سطح ویژه بالایی برخوردار باشند که این موضوع نشان دهنده حضور حالت های اکترونیکی سطحی یا اصطلاحا حالت های سطحی (Surface States) در ماده می باشد که تاثیر زیادی بر خواص نوری آن می گذارند.
بطور کلی، حالت های سطحی ناشی از وجود پیوند های کامل نشده در سطح کوانتوم دات ها می باشد که این پیوند های کامل نشده خود ناشی از حضور عیوب و حفرات در سطح این ماده است. به عنوان مثال، در یک کوانتوم دات 5 نانومتری با ترکیب شیمیایی کادمیم سولفید (CdS) تقریبا 15% از اتم ها در سطح نانو ذره حضور دارند که این موضوع نشان دهنده سطح ویژه بالای این ماده و حضور حالت های سطحی در آن می باشد.
وجود حالت های سطحی در کوانتوم دات ها شکل گیری واکنش های الکتروشیمیایی را تسهیل کرده که این امر روی هدایت الکتریکی، خواص نوری و خواص نوری – الکترونیکی این نانو ذرات اثر می گذارد. از آنجایی که سطح ویژه نانو ذرات تابعی از اندازه ذره آنها می باشد بنابراین می توان نتیجه گرفت که با تغییر اندازه ذره کوانتوم دات ها می توان سطح ویژه آنها را کنترل کرده و متعاقبا خواص نوری و نوری – الکترونیکی این نانو ذرات را تنظیم نمود.
با توجه به توضیحاتی که داده شد مشخص می شود که عملکرد و بازدهی کوانتوم دات ها کاملا وابسته به اندازه ذره آنها و همچنین یکنواخت بودن توزیع اندازه ذره آنها می باشد. از طرف دیگر فوق العاده کوچک بودن اندازه ذره کوانتوم دات ها باعث شده است تا سنتز این نانو مواد از حساسیت بالایی برخوردار باشد و همین موضوع سنتز یکنواخت این مواد را دشوار می کند.
تا بحال از روش های متفاوتی نظیر: سل – ژل، میکروامولسیون ، تجزیه محلول گرم (Hot – Solution Decomposition)، هیدروترمال و…. برای سنتز کوانتوم دات ها استفاده شده است اما برندگان جایزه نوبل شیمی سال 2023 موفق شدند تا روشی برای تولید موفق و یکنواخت کوانتوم دات ها ارائه دهند که قابلیت تجاری شدن را نیز دارا می باشد. این دستاورد بزرگ موجب شده است تا مسیر ورود کوانتوم دات ها به صنایع پیشرفته هموار گردد.
کاربردهای کوانتوم دات ها
ویژگی های منحصر بفرد و جالب کوانتوم دات ها باعث شد که جایگاه ویژه ای در تکنولوژی های روز دنیا بدست بیاورند که در ادامه به معرفی تعدادی از آنها می پردازیم:
- دیودهای ساطع کننده نور بر پایه کوانتوم دات: این دیود ها که امروزه تحت عنوان اختصاری QLEDs شناخته می شوند (Quantum – Based Light Emitting Diodes) به شدت مورد توجه صنایع تولید کننده نمایشگر ها، تلفن های هوشمند، تلویزیون و …. قرار گرفته است. حتی در حال حاضر تعدادی از این محصولات با تکیه بر تکنولوژی QLEDs تولید و در بازار عرضه شده اند. پیش از ظهور QLEDs از OLEDs (Organic LEDs) برای ساخت محصولات الکترونیکی دارای نمایشگر استفاده می شد که این دیود ها از مواد ارگانیک برای انتشار طیف رنگ ها در نمایشگر ها بهره می بردند. QLEDs از مزایای بیشتری نسبت به OLEDs برخودارند که عبارتند از: پایداری حرارتی بالاتر، کیفیت تصویر بیشتر، عمر مفید بیشتر و عدم تغییر در رنگ نمایش داده شده توسط نمایشگر در گذر زمان.
- تبدیل نور با انرژی بالا (آبی یا فرابنفش) به نور با انرژی پایین: کوانتوم دات فسفر جایگزین شایسته فسفر غیر ارگانیک یا رنگ دانه های ارگانیک برای تبدیل موج نور انرژی بالا به موج نور انرژی پایین می باشد. کوانتوم دات فسفر دارای پایداری بالاتر و قابلیت جذب بالاتر امواج نسبت به مواد رایج می باشد که موجب می شود بازدهی این نانو ماده در فرآیند تبدیل انرژی ببیشتر گردد.
- سلول های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات: استفاده از انرژی خورشیدی بعنوان انرژی پاک و تبدیل آن به انرژی الکتریکی یکی از مورد توجه ترین موضوعات روز دنیا می باشد. اما چالش بزرگ در تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی بازدهی پایین سلول های خورشیدی است. خواص نوری – الکترونیکی تقویت شده کوانتوم دات ها کمک بزرگی به بهوبد بازدهی تبدیل انرژی می نماید و بکارگیری این نانو مواد در ساخت سلول های خورشیدی قدمی رو به جلو در استفاده بیشتر و بهتر از انرژی خورشیدی است.
- تصویر برداری پزشکی: در پزشکی روش های متعددی برای تصویربرداری نظیر تصویر برداری نوری (Optical Imaging)، تصویر برداری مغناطیسی (MRI – Magnetic Resonance Imaging) و تصویر برداری اتمی وجود دارند که اکثرا مکمل یکدیگر بوده و هر کدام از این روش ها به تنهایی دارای کمبود های مختص به خود می باشند که روی کیفیت تصویرهای دریافتی تاثیر گذارند. خواص نوری ویژه کوانتوم دات ها در این زمینه نیز به کمک روش های تصویربرداری آمده و موجب شده است تا کیفیت و دقت تصاویر بدست آمده بهبود یابند. بالا بودن کیفیت و دقت تصاویر پزشکی مهمترین عامل در تشخیص درست بیماری و به دنبال آن انتخاب درست روش درمان می باشد.
اختصاص جایزه نوبل شیمی سال 2023 به کشف و توسعه کوانتوم دات ها نشان از آینده ای روشن و بهتر برای زندگی انسان دارد. این نانو مواد منحصر بفرد کمک می کنند تا علاوه بر پیشرفت تکنولوژی کیفیت زندگی بیش از پیش بهبود یابد.
منابع:
