כל כך הרבה צבעים, ובכל זאת כל אותו חומר

מריצה בעולם הננו-טכנולוגיה - חלק 1; נקודות קוונטיות

במשחק של בינגו באנגלית למילים מדע בדיוני, ננוטכנולוגיה כמעט תמיד קיימת. לצד "קוונטי" זה בדרך כלל פירושו "קסם מדעי", אך ננו-טכנולוגיה היא אמיתית ורחוקה מקסם. תחום הננוטכנולוגיה רחב להפליא ומרחיק לכת. כמעט כל היבט בחיינו יכול להיות מושפע מכך, אם זה לא היה. משמעות הדבר היא שיש הרבה תחומים שניתן לבחון בהם, וכל אחד עם אתגרים ותגמולים משלו. אמנם הרעיון של ננוטכנולוגיה קיים כבר הרבה זמן, רק בשנים האחרונות אנחנו באמת מתחילים להתקדם. בסדרה זו הייתי רוצה לקחת אותך לסיור בכמה מהננו-טכנולוגיות האהובות עלי, חלק מהעבודה שלי עליהן, ולאן אני רואה שכל תחום הולך.

נקודות קוונטיות סלניום קדמיום

אחת החוויות הראשונות שלי עם ננו-חומר כלשהו הייתה עם משהו שנקרא נקודה קוונטית. לפני שאמשיך עלי להסביר קצת על דברים קטנטנים. ברמה הקוונטית של אטומים ואלקטרונים, הרעיונות שלנו לגבי פיזיקה ניוטונית מסורתית יוצאים מהחלון. דברים כמו עקרון אי הוודאות ודואליות הגל / החלקיקים של החומר הופכים לכללי השלטון. נקודות קוונטיות קיימות בקו שבין עולם זה של מוזרות קוונטית לעולם שאנו מכירים יותר. חלקיקים אלה מורכבים מכמה מאות עד כמה אלפי אטומים בלבד, ויש להם תכונות מאוד מוזרות. החלקיקים מתנהגים כאילו כל היחידה היא אטום אחד. לכן במקום שהמאפיינים שלהם מוגדרים על ידי החומר ממנו הם עשויים, תכונותיהם נקבעות על פי גודלם וצורתם. הדרך הנפוצה ביותר שהיא באה לידי ביטוי היא בצבע החלקיקים, במיוחד בצבע (או באורך הגל של האור) שהחלקיקים יספגו וגם בצבע שהם פולטים. אם תאיר אור על נקודות קוונטיות גדולות יותר הם יפלטו אורך גל ארוך יותר שנראה אדום יותר, ואילו אם תעשה את אותו הדבר לנקודה קוונטית קטנה יותר, הם יפלטו אורך גל קצר יותר ונראה כחול יותר. בעזרת שיטה זו ניתן לכוונן את החלקיקים באופן מדויק לתכונות ספציפיות פשוט על ידי שינוי גודלם. עם נקודות קוונטיות אינך צריך להנדס תריסר מולקולות שונות כדי ליצור תריסר צבעים, אתה יכול פשוט לשנות את הגודל.

כאשר התגלו לראשונה נקודות קוונטיות, הן היו עשויות ממוליכים למחצה כמו קדמיום גופרתי וקדמיום סלניום. נקודות קוונטיות אלה זוהרות בהירות וקלות יחסית לסינתזה. יש להם חיסרון אחד אמיתי בכך שהם רעילים למדי. עם זאת בשנים האחרונות חלופות הרבה יותר בטוחות הפכו נפוצות יותר. הנקודות הקוונטיות הראשונות שעשיתי מעולם לא היו עשויות מקדמיום, אלא במקום סוכר שולחן רגיל. השתמשתי בטכניקה שנקראה סינתזה הידרותרמית כדי להכין אותן, וזו דרך מפוארת לחמם תמיסת סוכר מדוללת ושמרתי על הכל בלחץ. כלי הלחץ שלי שאפשר לי לשמור על הפיתרון חם בלחץ היה עשוי מכמה אביזרי צנרת שקיבלתי מחנות החומרה המקומית. כעת, לא הייתי מציע לחזור על כך כי לחץ גבוה יכול להיות מסוכן מאוד, אך באופן מפתיע מעולם לא היו לי כשלים קטסטרופלים.

כור מתאים צינור תוצרת בית (משמאל) לעומת כור פלדה אל חלד / טפלון מסחרי (מימין)

אפיתי את נוזלי הסוכרים במשך 8 שעות על 180 מעלות בתנור המטבח שלי ואז הוצאתי אותו לקירור. פיצחתי את הכור ונשארתי עם הפיתרון החום הכהה הזה. בהתחלה הייתי סקפטי שמשהו באמת קרה, אבל אחר כך הדלקתי את נורת ה- UV. פני הנוזל היו זוהרים בכחול בהיר. הכנתי בהצלחה נקודות קוונטיות מבוססות פחמן. זה נדרש כמה ניסויים, אבל בסופו של דבר הצלחתי להכין נקודות צהובות וירוקות, בהתחלה בעזרת סוכר אבל אחר כך במקורות פחמן אחרים כמו ג'לטין. כמובן שכל זה היה שכפול של מאמרים ולא מחקר פורץ דרך, אבל זו הייתה הוכחה לכך שהטכנולוגיה יכולה לעבוד מחוץ לאיזו מעבדה יקרה. אינך זקוק למים ננו-נקיים, או ריאגנטים יקרים, רק מקור פחמן, חום ולחץ.

נקודות קוונטיות של פחמן העשויות מסוכר שולחן פשוט

אז מדוע כל זה חשוב? תכונות מכוונות של נקודות קוונטיות הופכות אותם לאידיאליים לכל דבר הדורש אור ספיגה או פליטה. לא קשה לדמיין כמה טכנולוגיות קוונטיות ישפיעו על טכנולוגיות רבות. מדענים כבר מוצאים את דרכם אל הכל החל מנורות LED לפאנלים סולאריים ומייעלים את שניהם. עבור נוריות LED זה אומר שאתה יכול לכוונן את הצבע למה שאתה רוצה בדיוק. עבור פאנלים סולאריים זה אומר שאתה יכול ליצור חומר הסופג הרבה אורכי גל שונים של אור על ידי ערבוב בגדלים שונים של נקודה קוונטית.

לייזר צבע באמצעות צבעי ניאון רגילים

לרוב זה נעשה עם הנקודות הישנות מבוססות הקדמיום, אך לאחרונה נקודות קוונטיות מבוססות פחמן וגרפן מתחילות להתחרות. יישום אחר יהיה בלייזרים מבוססי צבע. לייזרים לצבוע הם נהדרים מכיוון שדרך כיבוי איזה צבע אתה משתמש, אתה מקבל קרן לייזר צבעונית אחרת. עם זאת בדרך כלל הצבעים יקרים ומגיעים רק בכמה צבעים כך שהאפשרויות מוגבלות. בעזרת נקודות קוונטיות, תוכלו ליצור לייזר כמעט בכל צבע פשוט על ידי שינוי גודל החלקיקים שלכם. לבסוף, אנו מגיעים לביולוגיה, שם הצורך בצבע גדול מתמיד. רק לאחר שהופקו הצבעים הסינטטיים הראשונים, החל העולם הסמוי של התא להופיע. פתאום מדענים יכלו לראות את החלקים האישיים ואת מה שהם עושים. אך שוב, הביולוגים מוגבלים למספר קטן של תרכובות וצבעים. נקודות קוונטיות הן קטנות מספיק כדי שתוכלו להשתמש בהן להרבה מהליכי הכתמה הרגילים, וניתן להנדס אותן כדי לדבוק בכל מה שהביולוג צריך לראות. עם מגוון עצום של צבעים אפשריים זה אומר שביולוג יכול להכתים המון דברים שונים בבת אחת ולראות איך כולם מתקשרים זה עם זה. מכל אלה, ברור שנקודות קוונטיות ישחקו תפקיד מרכזי בטכנולוגיות עתידיות, ואנחנו רק מתחילים לשרוט את פני השטח. חלק מהקבוצות שוקלות אפילו לנסות להשתמש בהן לבניית מחשב קוונטי, אבל זה דיון בפעם אחרת. לנקודות קוונטיות תמיד יהיה מקום בערכת הכלים הננו-הנדסית שלי. יש כל כך הרבה הזדמנויות מרגשות, ואני נרגש לחקור את כולם.

אוסף הננו-חלקיקים הפנימיים הצבעוניים שלי