Толкова много цветове, но все пак един и същ материал

Пробив през света на нанотехнологиите - Част 1; квантови точки

В игра на научнофантастичен бинговор бинго, нанотехнологиите почти винаги присъстват. До „квантово“ обикновено се разбира „научнофантастична магия“, но нанотехнологиите са реални и далеч от магията. Областта на нанотехнологиите е невероятно широка и широкообхватна. Почти всеки аспект от нашия живот може и ще бъде засегнат от него, ако не е бил вече. Това означава, че има много област за изследване, всяка със собствени предизвикателства и награди. Въпреки че идеята за нанотехнологиите съществува отдавна, едва през последните години наистина започваме да вървим напред. В тази поредица бих искал да ви отведа на обиколка на някои от любимите ми нанотехнологии, част от работата ми върху тях и където виждам как всяко поле върви.

Квантови точки от кадмий селенид

Един от първите ми преживявания с всеки наноматериал беше с нещо, наречено квантова точка. Преди да продължа трябва да обясня малко за дребните неща. На квантовото ниво на атоми и електрони нашите идеи за традиционната нютонова физика излизат през прозореца. Неща като принципа на несигурността и двойствеността на вълната / частиците на материята стават управляващи правила. Квантовите точки съществуват на границата между този свят на квантовата странност и света, с който сме по-запознати. Съставени само от няколкостотин до няколко хиляди атома, тези частици имат някои много странни свойства. Частиците се държат така, сякаш цялата единица е 1 единичен атом. Така че, вместо да се определят свойствата им от материала, от който са направени, техните свойства се определят от техния размер и форма. Най-разпространеният начин, по който това се проявява, е в цвета на частиците, по-специално в цвета (или дължината на вълната на светлината), който частиците ще абсорбират, както и в цвета, който излъчват. Ако светите светлина върху по-големи квантови точки, те ще излъчват по-дълга дължина на вълната, която изглежда по-червена, докато ако направите същото с по-малка квантова точка, те ще излъчват дължина на вълната, която е по-къса и изглежда по-синя. С помощта на този метод човек може точно да настрои частиците да имат специфични свойства, просто като промени размера им. С квантови точки не е необходимо да конструирате дузина различни молекули, за да направите дузина цветове, можете просто да промените размера.

При откриването на квантовите точки те са направени от полупроводници като кадмиев сулфид и кадмиев селенид. Тези квантови точки светят ярко и са сравнително лесни за синтезиране. Те имат само един реален недостатък в това, че са доста токсични. Въпреки това през последните години много по-безопасни алтернативи станаха по-често срещани. Първите квантови точки, които съм правил, не са направени от кадмий, а вместо обикновена трапезна захар. Използвах техника, наречена хидротермален синтез, за ​​да ги направя, което е фантастичен начин да кажа, че загрях разреден разтвор на захар и държах всичко под налягане. Моят съд под налягане, който ми позволяваше да поддържам разтвора горещ под налягане, беше направен от няколко тръбни фитинги, които получих от местния магазин за хардуер. Сега не бих предложил да се повтаря това, тъй като високото налягане може да бъде много опасно, но изненадващо никога не съм имал катастрофални повреди.

Домашен тръбен монтаж реактор (вляво) срещу търговски реактор от неръждаема стомана / тефлон (вдясно)

Изпекох сладката си течност 8 часа на 180 градуса в моята кухненска фурна и след това я извадих да изстине. Отворих реактора си и останах с този тъмнокафяв разтвор. В началото бях скептично настроен, че нещо наистина се е случило, но след това включих UV светлината. Повърхността на течността светеше красиво светло синьо. Бях успешно направил квантови точки на въглеродна основа. Отне известно експериментиране, но в крайна сметка успях да направя жълти и зелени точки, като първоначално използвах захар, но след това използвах други източници на въглерод като желатин. Разбира се, всичко това беше копиране на документи, а не новаторски изследвания, но беше доказателство, че технологията може да работи извън някоя скъпа лаборатория. Не ви е необходима наночиста вода или скъпи реагенти, а само източник на въглерод, топлина и налягане.

Въглеродни квантови точки, направени от обикновена трапезна захар

Така че защо е важно всичко това? Квантовите точки с възможност за настройване ги правят идеални за всичко, което изисква светлината за поглъщане или излъчване. Не е трудно да си представим само колко технологии ще окажат влияние върху квантовите точки. Учените вече намират пътя си във всичко - от светодиоди до соларни панели и правят и двете по-ефективни. За светодиодите това означава, че можете да настроите цвета на точно това, което искате. За слънчеви панели това означава, че можете да направите материал, който абсорбира много различни дължини на вълната на светлината, като смесвате различни размери на квантова точка.

Базов лазер, използващ нормални флуоресцентни багрила

Най-вече това се прави със старите точки на базата на кадмий, но в последно време квантовите точки на въглерод и графен започват да се конкурират. Друго приложение би било в лазери на базата на багрила. Лазерите за боядисване са страхотни, защото като изключите кое багрило използвате, получавате различен цветен лазерен лъч. Обаче обикновено багрилата са скъпи и се предлагат само в няколко цвята, така че възможностите са ограничени. С квантовите точки можете да направите лазер в почти всеки цвят, просто като промените размера на частиците си. Накрая стигаме до биологията, където нуждата от цвят е по-голяма от всякога. Едва когато бяха произведени първите синтетични багрила, скритият свят на клетката започна да влиза в полезрението. Изведнъж учените можеха да видят отделните парчета и какво правят. Но отново биолозите са ограничени до малък брой съединения и цветове. Квантовите точки са достатъчно малки, че могат да се използват за много от обичайните процедури за оцветяване и могат да бъдат проектирани така, че да се придържат към всичко, което биологът трябва да види. С огромното разнообразие от възможни цветове това означава, че биологът може да оцвети много различни неща наведнъж и да види как взаимодействат всички. От всичко това е ясно, че квантовите точки ще играят основна роля в бъдещите технологии, а ние едва сега започваме да надраскваме повърхността. Някои групи дори обмислят да се опитат да ги използват за изграждане на квантов компютър, но това е дискусия за друг път. Квантовите точки винаги ще имат място в инструментариума ми за наноинженерство. Има толкова много вълнуващи възможности и се радвам да ги проуча всички.

Моята колекция от цветни флуоресцентни наночастици