عمر نقاط کوانتومی غول پیکر ساطع کننده نور ۵۰۰ برابر شد

پژوهشگران روش جدیدی را برای ایجاد نقاط کوانتومی غول پیکر ساطع کننده نور کشف کرده‌اند که بر اساس آن یک ماده نانوبلور فوتونی می‌تواند سنتز شود و در تصویربرداری پزشکی و نورشناسی مورد استفاده قرار گیرد.

نقطه کوانتومی چیست؟

نقاط کوانتومی، نانوبلور‌های نیمه هادی کلوئیدی هستند که به اندازه یک الکترون هستند. آن‌ها در یک محلول سنتز می‌شوند (ترکیب و بالغ می‌شوند) و هنگامی که منبع نور به سمت آن‌ها هدف گرفته می‌شود، فلورسانس (بازتابنده) می‌شوند و برای مدتی طولانی نور تابش می‌کنند. این در حالی است که نقاط کوانتومی غول پیکر به طور مداوم نور ساطع می‌کنند.

نقاط کوانتومی (QDs) نیمه هادی‌های کوچک و با اندازه زیر ۱۰ نانومتر هستند و دارای خواص الکترونیکی هستند که به دلیل مکانیک کوانتومی با ذرات بزرگ‌تر تفاوت دارند. آن‌ها یک موضوع تمرکز اصلی برای فناوری نانو هستند. هنگامی که نقاط کوانتومی توسط نور فرابنفش روشن می‌شوند، یک الکترون در نقطه کوانتومی می‌تواند در حالت انرژی بالاتر برانگیخته شود. این فرآیند مربوط به انتقال یک الکترون از باند ظرفیت به باند رسانش است. الکترون برانگیخته می‌تواند به نوار ظرفیت بازگردد و انرژی خود را با انتشار نور آزاد کند که رنگ آن نور به اختلاف انرژی بین باند رسانش و باند ظرفیت بستگی دارد.

نقاط کوانتومی بعضی اوقات به اتم‌های غیر مصنوعی گفته می‌شود و بر تکین بودن آنها، داشتن حالت‌های الکترونیکی محدود مانند مواد اتمی یا مولکول‌های طبیعی تأکید می‌شود. نشان داده شده است که موج الکترونیکی توابع کوانتومی با اتم‌های واقعی شباهت دارد و با اتصال دو یا چند نقطه کوانتومی می‌توان یک مولکول مصنوعی ساخت.

ویژگی‌های انتخابی نقاط کوانتومی به عنوان تابعی از اندازه و شکل تغییر می‌کند. نقاط کوانتومی بزرگتر با قطر پنج تا شش نانومتر از طول موج‌های طولانی‌تر با رنگ‌هایی مانند نارنجی یا قرمز ساطع می‌کنند و نقاط کوانتومی کوچکتر از طول موج کوتاه‌تر ساطع می‌شوند و رنگ‌هایی مانند آبی و سبز دارند. با این حال، رنگ‌های خاص بسته به ترکیب دقیق نقاط کوانتومی متفاوت است.

کاربرد‌های بالقوه نقاط کوانتومی شامل ترانزیستور‌های تک الکترونی، سلول‌های خورشیدی، ال‌ای‌دی، لیزرها، منابع تک فوتونی، نسل دوم هارمونیک، محاسبات کوانتومی و تصویربرداری پزشکی است. اندازه کوچک آن‌ها اجازه می‌دهد تا برخی نقاط کوانتومی در محلول به حالت تعلیق درآیند که ممکن است منجر به استفاده در چاپ جوهر افشان شود. این تکنیک‌های پردازش به هزینه‌های کم‌تر و وقت‌گیر ساخت نیمه هادی منجر می‌شود.

رسیدن به نقطه عطفی جدید

اکنون پژوهشگران دانشگاه شیکاگو به نقطه عطف جدیدی در توسعه نقاط کوانتومی دست یافته‌اند. آن‌ها نقاط کوانتومی غول‌پیکر را سنتز کرده‌اند که پس از فلورسانس، نور را به مدت ۵۰۰ نانوثانیه ساطع می‌کنند و رکورد قدیمی چنین نانوموادی را بشکنند.

این گروه شامل پژوهشگرانی از دانشگاه پرینستون و دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و همچنین افرادی است که در آزمایشگاه اصلی دانشگاه شیکاگو مستقر هستند.

کشف یک ویژگی جدید

این گروه پژوهشی، ویژگی و ساختار جدیدی را نشان داد که می‌تواند الکترون‌ها را به صورت فضایی محلی‌سازی کند. این ساختار جدید به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا روی حفره‌های درون یک هسته یا ساختار ناهمسان پوسته تمرکز کنند. این کار با تنظیم بار الکترون روی انرژی جنبشی سطح انرژی بالقوه سهموی انجام می‌شود.

گزارش گروه پژوهش

پرستون اسنی، دانشیار شیمی در دانشگاه کالیفرنیا و نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید، این جداسازی حامل بار (الکترون) در طول عمر تک نانوذره پیوسته خاصیت تابشی ماندگار و بادوام ایجاد می‌کند.

وی در بیانیه‌ای افزود: این ویژگی‌ها کاربرد‌های جدیدی را برای فیزیک نور و نورشناسی ممکن می‌سازد و رویکرد‌های جدیدی مانند تصویربرداری تک ذره‌ای با دریچه زمانی را تسهیل می‌کند و همچنین راه‌هایی برای توسعه سایر مواد پیشرفته جدید ایجاد می‌کند.

نقاط کوانتومی تحریک شده‌اند

پژوهشگران توانستند نقاط کوانتومی را با قرار دادن آن‌ها در یک پرتوی نور در حالت تحریک قرار دهند که منجر به حالت اکسایتون (exciton) شد. حالت اکسایتون یک جفت الکترون یا حفره است. با نقاط کوانتومی غول پیکر، الکترون در پوسته الکترونی دور از مرکز یا هسته جابجا می‌شود. الکترون در این حالت به دام می‌افتد و بیش از ۵۰۰ نانوثانیه نور ساطع می‌کند که رکورد جدیدی برای این فرآیند است.

تصویربرداری بیولوژیکی از چنین نانوذراتی هدف این گروه پژوهشی است. کاربرد‌های اساسی دیگری از چنین نانومواد نیمه هادی تابشی وجود دارد که حتی به عنوان تامین کننده نور در لیزر‌های میکرونی می‌تواند بسیار گسترده باشد.

کمک این ویژگی جدید به مطالعات بیولوژیکی

پژوهشگران در این مقاله نوشته‌اند: نقاط کوانتومی به عنوان مواد گسیل‌کننده، نوید ایجاد نمایشگر‌های کارآمدتر را می‌دهند و به دلیل خواص نوری بسیار قوی‌شان می‌توانند به عنوان کاوشگر‌های فلورسنت برای پژوهش‌های زیست‌پزشکی استفاده شوند. آن‌ها ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از رنگ‌های ارگانیک جاذب هستند و تقریباً در برابر نوررنگ‌بری (photobleaching) تاثیرناپذیر هستند، به همین دلیل است که در تلویزیون‌های جدید QLED استفاده می‌شوند.

آینده نقاط کوانتومی

پژوهشگران می‌گویند که نقاط کوانتومی غول‌پیکر می‌توانند در اکتشافات بیولوژیکی به رکنی بنیادی تبدیل شوند، چرا که آن‌ها برخی از فرآیند‌های نوری خاص را مانند انتشار طول موج‌های سرخ با پراکندگی کم و داشتن تداخل کمتر پس‌زمینه حاصل از نویز دنبال می‌کنند.

پژوهش‌ها روی این نقاط کوانتومی غول پیکر می‌تواند به دلیل ویژگی‌های نور افشانی مداوم آن‌ها ادامه یابد. برای مثال، هر دانشمندی که در حال مطالعه سرطان است، می‌تواند پروتئین‌های مربوطه را برچسب‌گذاری کند. سپس آن پروتئین‌ها را می‌توان در طول عمر سلول بدون از دست دادن دینامیک بیولوژیکی دنبال کرد. چیزی که امروزه یک مشکل رایج در مطالعه فلورسانس است.