Τόσα πολλά χρώματα, αλλά όλα τα ίδια υλικά

Μια περιπέτεια στον κόσμο της νανοτεχνολογίας - Μέρος 1. κβαντικές κουκκίδες

Σε ένα παιχνίδι sci-fi buzzword bingo, η νανοτεχνολογία είναι σχεδόν πάντα παρούσα. Δίπλα στο "κβαντικό", συνήθως σημαίνει "sci-fi magic", αλλά η νανοτεχνολογία είναι πραγματική και απέχει πολύ από τη μαγεία. Ο τομέας της νανοτεχνολογίας είναι απίστευτα ευρύς και εκτεταμένος. Σχεδόν κάθε πτυχή της ζωής μας μπορεί και θα επηρεαστεί από αυτήν, εάν δεν είχε ήδη. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει πολλή περιοχή για εξερεύνηση, το καθένα με τις δικές του προκλήσεις και ανταμοιβές. Ενώ η ιδέα της νανοτεχνολογίας υπάρχει εδώ και πολύ καιρό, μόνο τα τελευταία χρόνια αρχίζουμε πραγματικά να προχωράμε. Σε αυτήν τη σειρά θα ήθελα να σας ταξιδέψω σε μερικές από τις αγαπημένες μου νανοτεχνολογίες, μερικές από τις δουλειές μου πάνω τους και όπου βλέπω ότι κάθε πεδίο πηγαίνει.

Κβαντικές κουκίδες σεληνίου καδμίου

Μία από τις πρώτες μου εμπειρίες με οποιοδήποτε νανοϋλικό ήταν με κάτι που ονομάζεται κβαντική κουκκίδα. Πριν συνεχίσω θα πρέπει να εξηγήσω λίγο για μικρά πράγματα. Στο κβαντικό επίπεδο των ατόμων και των ηλεκτρονίων, οι ιδέες μας για την παραδοσιακή Νεύτωνα φυσική βγαίνουν έξω από το παράθυρο. Πράγματα όπως η αρχή της αβεβαιότητας και η δυαδικότητα του κύματος / σωματιδίων της ύλης γίνονται οι κανόνες. Οι κβαντικές κουκίδες υπάρχουν στη γραμμή μεταξύ αυτού του κόσμου της κβαντικής παράξενης και του κόσμου με τον οποίο είμαστε πιο εξοικειωμένοι. Αποτελούμενο από μερικές μόνο εκατοντάδες έως μερικές χιλιάδες άτομα, αυτά τα σωματίδια έχουν μερικές πολύ περίεργες ιδιότητες. Τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν ολόκληρη η μονάδα να ήταν 1 μόνο άτομο. Έτσι, αντί να ορίζονται οι ιδιότητές τους από το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται, οι ιδιότητές τους καθορίζονται από το μέγεθος και το σχήμα τους. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος που εκδηλώνεται είναι στο χρώμα των σωματιδίων, συγκεκριμένα στο χρώμα (ή το μήκος κύματος του φωτός) που τα σωματίδια θα απορροφήσουν και επίσης το χρώμα που εκπέμπουν. Εάν ρίξετε φως σε μεγαλύτερες κβαντικές κουκκίδες, θα εκπέμπουν μεγαλύτερο μήκος κύματος που φαίνεται πιο κόκκινο, ενώ αν κάνετε το ίδιο με μια μικρότερη κβαντική κουκίδα, θα εκπέμπουν μήκος κύματος που είναι μικρότερο και θα φαίνεται πιο μπλε. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο, μπορεί κανείς να συντονίσει με ακρίβεια τα σωματίδια ώστε να έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες αλλάζοντας απλά το μέγεθός τους. Με τις κβαντικές κουκκίδες δεν χρειάζεται να κατασκευάσετε δώδεκα διαφορετικά μόρια για να δημιουργήσετε δώδεκα χρώματα, μπορείτε απλά να αλλάξετε το μέγεθος.

Όταν ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά οι κβαντικές κουκίδες, κατασκευάστηκαν από ημιαγωγούς όπως το σουλφίδιο του καδμίου και το σελήνιο του καδμίου. Αυτές οι κβαντικές κουκίδες λάμπουν έντονα και είναι σχετικά εύκολο να συντεθούν. Έχουν μόνο ένα πραγματικό μειονέκτημα στο ότι είναι αρκετά τοξικά. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, πολύ πιο ασφαλείς εναλλακτικές λύσεις έχουν γίνει πιο συχνές. Οι πρώτες κβαντικές κουκκίδες που έκανα ποτέ δεν ήταν φτιαγμένες από κάδμιο, αλλά από συνηθισμένη επιτραπέζια ζάχαρη. Χρησιμοποίησα μια τεχνική που ονομάζεται υδροθερμική σύνθεση για να τα φτιάξω, που είναι ένας φανταχτερός τρόπος για να πω ότι θερμαίνω ένα αραιό διάλυμα ζάχαρης και τα κράτησα όλα υπό πίεση. Το δοχείο πίεσης που με άφησε να διατηρήσω το διάλυμα ζεστό υπό πίεση ήταν κατασκευασμένο από μερικά εξαρτήματα σωληνώσεων που πήρα από το τοπικό κατάστημα υλικού. Τώρα, δεν θα πρότεινα να το επαναλάβω καθώς η υψηλή πίεση μπορεί να είναι πολύ επικίνδυνη, αλλά εκπληκτικά δεν είχα ποτέ καταστροφικές αποτυχίες.

Αντιδραστήρας σπιτικού σωλήνα (αριστερά) έναντι αντιδραστήρα ανοξείδωτου χάλυβα / τεφλόν (δεξιά)

Έψησα το ζαχαρούχο υγρό μου για 8 ώρες στους 180 βαθμούς στο φούρνο της κουζίνας μου και μετά το έβγαλα για να κρυώσει. Άνοιξα τον αντιδραστήρα μου και έμεινα με αυτό το σκούρο καφέ διάλυμα. Στην αρχή ήμουν δύσπιστος ότι κάτι είχε συμβεί πραγματικά, αλλά μετά ενεργοποίησα το υπεριώδες φως. Η επιφάνεια του υγρού λάμπει ένα όμορφο γαλάζιο. Είχα κάνει επιτυχώς κβαντικές κουκκίδες με βάση τον άνθρακα. Χρειάστηκε κάποιος πειραματισμός, αλλά τελικά κατάφερα να φτιάξω κίτρινες και πράσινες κουκκίδες, χρησιμοποιώντας αρχικά ζάχαρη, αλλά στη συνέχεια χρησιμοποίησα άλλες πηγές άνθρακα όπως ζελατίνη. Φυσικά, όλα αυτά ήταν αναπαραγωγή εγγράφων και όχι πρωτοποριακή έρευνα, αλλά ήταν απόδειξη ότι η τεχνολογία μπορεί να λειτουργήσει έξω από κάποιο ακριβό εργαστήριο. Δεν χρειάζεστε νανο-καθαρό νερό ή ακριβά αντιδραστήρια, μόνο πηγή άνθρακα, θερμότητα και πίεση.

Κβαντικές κουκκίδες άνθρακα από απλή επιτραπέζια ζάχαρη

Γιατί λοιπόν είναι όλα αυτά σημαντικά; Οι κβαντικές κουκκίδες με δυνατότητα συντονισμού τις καθιστούν ιδανικές για οτιδήποτε απαιτεί την απορρόφηση ή το φως εκπομπής. Δεν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πόσες τεχνολογίες θα επηρεάσουν οι κβαντικές κουκκίδες. Οι επιστήμονες βρίσκουν ήδη το δρόμο τους σε όλα, από LED έως ηλιακούς συλλέκτες και κάνουν και τα δύο πιο αποτελεσματικά. Για τα LED σημαίνει ότι μπορείτε να συντονίσετε το χρώμα με αυτό που θέλετε. Για τα ηλιακά πάνελ σημαίνει ότι μπορείτε να φτιάξετε ένα υλικό που απορροφά πολλά διαφορετικά μήκη κύματος φωτός αναμειγνύοντας διαφορετικά μεγέθη κβαντικών κουκκίδων.

Λέιζερ βαφής που χρησιμοποιεί φυσιολογικές φθορισμού βαφές

Κυρίως αυτό γίνεται με τις παλιές κουκίδες με βάση το κάδμιο, αλλά πιο πρόσφατα οι κβαντικές κουκίδες με βάση το άνθρακα και το γραφενίου αρχίζουν να ανταγωνίζονται. Μια άλλη εφαρμογή θα ήταν σε λέιζερ με βάση βαφές. Τα λέιζερ βαφής είναι υπέροχα, διότι αλλάζοντας ποια βαφή χρησιμοποιείτε, έχετε μια διαφορετική έγχρωμη ακτίνα λέιζερ. Ωστόσο, συνήθως οι βαφές είναι ακριβές και διατίθενται μόνο σε λίγα χρώματα, επομένως οι επιλογές είναι περιορισμένες. Με κβαντικές κουκκίδες, θα μπορούσατε να φτιάξετε ένα λέιζερ σε σχεδόν οποιοδήποτε χρώμα απλά αλλάζοντας το μέγεθος των σωματιδίων σας. Τέλος, φτάνουμε στη βιολογία, όπου η ανάγκη για χρώμα είναι μεγαλύτερη από ποτέ. Μόνο μέχρι την παραγωγή των πρώτων συνθετικών χρωμάτων άρχισε να εμφανίζεται ο κρυμμένος κόσμος του κελιού. Ξαφνικά οι επιστήμονες μπορούσαν να δουν τα μεμονωμένα κομμάτια και τι κάνουν. Αλλά και πάλι, οι βιολόγοι περιορίζονται σε έναν μικρό αριθμό ενώσεων και χρωμάτων. Οι κβαντικές κουκίδες είναι αρκετά μικρές ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πολλές από τις συνήθεις διαδικασίες χρώσης και μπορούν να κατασκευαστούν για να κολλήσουν σε ό, τι χρειάζεται να δει ο βιολόγος. Με την τεράστια ποικιλία πιθανών χρωμάτων, αυτό σημαίνει ότι ένας βιολόγος μπορεί να χρωματίσει πολλά διαφορετικά πράγματα ταυτόχρονα και να δει πώς αλληλεπιδρούν όλοι. Από όλα αυτά, είναι ξεκάθαρο ότι οι κβαντικές κουκκίδες θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στις μελλοντικές τεχνολογίες και μόλις αρχίζουμε να χαράζουμε την επιφάνεια. Ορισμένες ομάδες σκέφτονται ακόμη και να τις χρησιμοποιήσουν για να δημιουργήσουν έναν κβαντικό υπολογιστή, αλλά αυτή είναι μια συζήτηση για άλλη φορά. Οι κβαντικές κουκκίδες θα έχουν πάντα θέση στη εργαλειοθήκη νανο-μηχανικής μου. Υπάρχουν τόσες πολλές συναρπαστικές ευκαιρίες και είμαι ενθουσιασμένος που θα τις εξερευνήσω όλες.

Η συλλογή μου από πολύχρωμα νανοσωματίδια