نقاط کوانتومی که برنده جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۳ شده اند، کاربردهای بسیار متنوعی از نمایشگرها و چراغ های LED گرفته تا کاتالیز واکنش های شیمیایی و تصویربرداری زیستی دارند. این نانوبلورهای نیمه هادی به قدری کوچک هستند – به ترتیب نانومتر – که خواص آنها، مانند رنگ، وابسته به اندازه هستند و شروع به نشان دادن خواص کوانتومی می کنند. این فناوری واقعاً به خوبی توسعه یافته است، اما فقط در طیف مرئی، فرصت‌های بکر برای فناوری‌ها در هر دو ناحیه فرابنفش و مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی باقی می‌ماند.
در تحقیقات جدید منتشر شده در Nature Synthesis ، استاد مهندسی زیستی دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign، اندرو اسمیت و محقق فوق دکتری Wonseok Lee، نانوبلورهای سلنید جیوه (HgSe) و سلنید جیوه کادمیوم (HgCdSe) را ساخته اند که از قبل جذب و منتشر می شوند. پیش سازهای سلنید کادمیوم (CdSe) که به خوبی توسعه یافته و قابل مشاهده هستند. محصولات نانوکریستالی جدید خواص مطلوب نانوبلورهای CdSe مادر را از جمله اندازه، شکل و یکنواختی حفظ کردند.
اسمیت می گوید: «این اولین نمونه از نقاط کوانتومی مادون قرمز است که در سطح کیفی نقاطی هستند که در طیف مرئی هستند.
اگرچه فناوری نانو کریستال بیش از ۵۰ سال است که وجود داشته است، اما تنها نانوبلورهایی که در بخش مرئی طیف عمل می کنند به طور قابل توجهی پیشرفت کرده اند. اسمیت توضیح می‌دهد: “آنها بخش بزرگی از دستگاه‌های نمایشگر هستند. و بخش بزرگی از هر فناوری که نور را جذب می‌کند یا نور ساطع می‌کند. فقط یک فشار ذاتی برای توسعه فناوری وجود دارد که در پایان روز بزرگترین بازار را داشته باشد. ”
فراتر از تقاضای بازار برای نانوبلورهای طیف مرئی، شیمی برای مواد در مادون قرمز سخت تر است، که طول موج بلندتر و انرژی کمتری نسبت به نور در طیف مرئی دارد. برای دستیابی به جذب و انتشار نور در مادون قرمز، عناصر سنگین‌تری که در جدول تناوبی پایین‌تر هستند، باید استفاده شوند. شیمی با آن عناصر دشوارتر است و واکنش‌های جانبی ناخواسته‌تر و واکنش‌های کمتر قابل پیش‌بینی را ایجاد می‌کند. آنها همچنین مستعد تخریب هستند و مستعد تغییرات محیطی مانند آب هستند.
نانوبلورهای نقطه کوانتومی می توانند از نیمه هادی های عنصری مانند سیلیکون ساخته شوند یا می توانند دوتایی یا سه تایی باشند. اختلاط دو عنصر می تواند خواص بسیار متفاوتی را به همراه داشته باشد، مخلوط کردن سه عنصر با هم می تواند به طور تصاعدی خواص بیشتری را به همراه داشته باشد. اسمیت می‌گوید: «ما روی این یک نوع ماده تمرکز کرده‌ایم، یک آلیاژ سه تایی – سلنید کادمیوم جیوه – زیرا فکر می‌کنیم می‌تواند ماده «کامل» برای ساخت باشد. اساساً می‌توانید با تغییر نسبت اتم‌های کادمیوم و جیوه، هر خاصیتی را که می‌خواهید به دست آورید. می‌تواند این محدوده عظیم از طیف الکترومغناطیسی را – در سراسر مادون قرمز تا کل طیف مرئی – بپوشاند و خواص بسیار زیادی را به دست آورد.
اسمیت از زمانی که در مقطع کارشناسی ارشد بدون شانس بود، تلاش می کرد تا این مطالب را بسازد، و حتی در جامعه تحقیقاتی گسترده تر، تاکنون هیچ گزارشی از موفقیت گزارش نشده است. او می‌گوید: «شیوه‌ای که ما این کار را انجام دادیم، نمونه‌هایی بود که از قبل کامل‌شده و قابل مشاهده بودند سلنید کادمیوم، که توسعه‌یافته‌ترین نقطه کوانتومی در نظر گرفته می‌شود و از آن به عنوان «قالب قربانی» استفاده کردیم.
جایگزینی اتم‌های کادمیوم با اتم‌های جیوه، فوراً همه چیز را به طیف مادون قرمز منتقل می‌کند، با تمام کیفیت مطلوب حفظ می‌شود: جذب نور قوی، انتشار نور قوی و همگن.
برای انجام این کار، اسمیت و لی مجبور شدند روش سنتی سنتز نانوکریستال‌ها را کنار بگذارند، یعنی مخلوط کردن عناصر پیش‌ساز با یکدیگر و در شرایط مناسب، به شکل نانوبلور مورد نظر تجزیه می‌شوند. همانطور که معلوم است، هیچ شرایطی وجود ندارد که کسی برای جیوه، کادمیوم و سلنید کار کند.
اسمیت می‌گوید: «لی فرآیند جدیدی به نام تبادل کاتیون‌های تقویت‌شده با انتشار میانی ایجاد کرد. “در این فرآیند، عنصر چهارم، نقره را اضافه می کنیم، که نقص هایی را در مواد ایجاد می کند که باعث می شود همه چیز به طور یکنواخت با هم مخلوط شود. و این کل مشکل را حل کرد.”
در حالی که نقاط کوانتومی کاربردهای زیادی دارند، یکی از کاربردهای نقاط کوانتومی مادون قرمز با پتانسیل بیشترین تأثیر، استفاده به عنوان کاوشگر مولکولی برای تصویربرداری است، جایی که می توان آنها را در سیستم های بیولوژیکی قرار داد و در بافت ها شناسایی کرد. از آنجایی که بیشتر نقاط کوانتومی در طیف مرئی ساطع می‌کنند، تنها گسیل نزدیک به سطح پوست قابل تشخیص است. با این حال، زیست شناسی در مادون قرمز نسبتاً شفاف است و بنابراین می توان بافت های عمیق تر را کاوش کرد.
موش ها مدل های استاندارد برای اکثر بیماری ها هستند و اسمیت توضیح می دهد که با نقاط کوانتومی که در مادون قرمز ساطع می شوند، محققان می توانند تقریباً به طور کامل از طریق یک جونده زنده ببینند تا فیزیولوژی آن و مکان مولکول های خاص را در سراسر بدن ببینند. این امر به درک بهتر فرآیندهای بیولوژیکی و توسعه روش‌های درمانی بدون قربانی کردن موش‌ها اجازه می‌دهد که به طور بالقوه توسعه داروی پیش بالینی را تغییر می‌دهد.
اندرو اسمیت همچنین یکی از زیرمجموعه‌های آزمایشگاه فناوری میکرو و نانو هولونیاک، مؤسسه زیست‌شناسی ژنومیک کارل آر. ووز، بخش علوم و مهندسی مواد، مرکز سرطان در ایلینوی و کالج پزشکی کارل ایلینوی در ایلینوی است.
Materials provided by University of Illinois Grainger College of Engineering. Original written by Amber Rose. Note: Content may be edited for style and length.
