به گزارش ایسنا و به نقل از نیو اطلس، نقاط کوانتومی، از تلویزیون ها و سلول های خورشیدی گرفته تا درمان های پیشرفته سرطان (cancer)، پتانسیل منحصربه فرد خود را در بسیاری از زمینه ها نشان می‌دهند، ولی تولید آن ها در مقیاس انبوه با برخی از مسائل مربوط به محیط زیست مرتبط است.
اکنون دانشمندان دانشگاه "هیروشیما" در ژاپن با استفاده از پوسته برنج دور ریخته شده برای تولید اولین نور led نقطه کوانتومی سیلیکونی جهان، مسیر سبزتری را در این زمینه نشان داده اند.
نقاط کوانتومی (QDs) نیمه هادی های کوچک و با اندازه زیر ۱۰ نانومتر هستند و دارای خواص الکترونیکی هستند که به دلیل مکانیک کوانتومی با ذرات بزرگتر تفاوت دارند. آن ها موضوعی 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. در مورد نقطه کوانتومی، این فرآیند مربوط به انتقال یک الکترون از باند ظرفیت به باند رسانش است. الکترون برانگیخته می تواند 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.
به زبان علم مواد، مواد نیمه هادی نانو مقیاس محکم یا الکترون ها یا سوراخ های الکترونی را محکم بسته اند. نقاط کوانتومی بعضی اوقات به اتم های غیر مصنوعی گفته می شود و بر تکین بودن آن ها، داشتن حالت های الکترونیکی محدود، مانند مواد اتمی یا مولکول های طبیعی تأکید می شود. نشان داده شده است که موج الکترونیکی توابع کوانتومی را با اتم های واقعی شباهت می دهد. با اتصال دو یا چند نقطه کوانتومی، می توان یک مولکول مصنوعی ساخت.
نقاط کوانتومی دارای خواص واسطه ای بین نیمه هادی های فله و اتم ها یا مولکول های گسسته هستند. ویژگی های انتخابی آنها بعنوان تابعی از اندازه و شکل تغییر می کند. نقاط کوانتومی بزرگتر با قطر پنج تا شش نانومتر از طول موج های طولانی تر با رنگ هایی مانند نارنجی یا قرمز ساطع می کنند. نقاط کوانتومی کوچک تر از طول موج کوتاه تر ساطع می شوند و رنگ هایی مانند آبی و سبز به همراه می آورند. با این حال، رنگ های خاص بسته به ترکیب دقیق نقاط کوانتومی متفاوت است.
کاربردهای بالقوه نقاط کوانتومی شامل ترانزیستورهای تک الکترونی، سلول های خورشیدی، ال ای دی ، لیزرها، منابع تک فوتونی، نسل دوم هارمونیک، محاسبات کوانتومی و تصویربرداری پزشکی است. اندازه کوچک آنها اجازه می دهد تا برخی نقاط کوانتومی در محلول به حالت تعلیق درآیند که ممکن است منجر به استفاده در چاپ جوهر افشان و پوشش اسپین شود.
" کن- ایچی سایتو" نویسنده اصلی این مطالعه و استاد شیمی در دانشگاه" هیروشیما" می گوید:از آنجایی که نقاط کوانتومی معمولی اغلب حاوی مواد سمی مانند کادمیوم، سرب یا سایر فلزات سنگین هستند، نگرانی های زیست محیطی اغلب هنگام استفاده از نانومواد مورد بررسی می گیرند. در حالی که فرآیند پیشنهادی ما و روش ساخت نقاط کوانتومی این نگرانی ها را به حداقل می رساند.
نوع نقاط کوانتومی که" سایتو" و تیمش دنبال می کنند، نقاط کوانتومی سیلیکونی هستند که از فلزات سنگین دوری می کنند و مزایای دیگری نیز دارند. پایداری و دمای عملیاتی بالاتر، آنها را به یکی از نامزدهای پیشرو برای استفاده در محاسبات کوانتومی تبدیل می کند، در حالیکه ماهیت غیر سمی شان، آنها را برای استفاده در کاربردهای پزشکی مناسب می کند.
این مطالعه به دنبال ایجاد نوع جدیدی از نقطه کوانتومی سیلیکونی است که از مواد زاید(سبوس برنج) استفاده می کند، مواد زائد و دورریزی که سالانه منجر به تولید حدود ۱۰۰ میلیون تن ضایعات پوسته برنج در سطح جهان می شود.
این پوسته های برنج در واقع یک منبع عالی از سیلیکون هستند که دانشمندان توانستند به لطف یک روش پردازش جدید از آن بهره ببرند. روش آنها شامل آسیاب کردن پوسته برنج و سوزاندن ترکیبات آلی برای استخراج پودر سیلیس است که سپس در یک کوره گرم می شود. سپس ذرات پودر سیلیس خالص شده کوچک تر می شوند و به حلال اضافه می شوند تا سطح آنها از نظر شیمیایی فعال شود. محصول نهایی، نقاط کوانتومی سیلیکونی به اندازه سه نانومتر است که در محدوده نارنجی- قرمز درخشندگی دارند.
سپس لایه ای از این نقاط کوانتومی سیلیکونی با لایه های مواد دیگر از جمله یک زیرلایه شیشه ای حاوی "ایندیم- قلع- اکسید" بعنوان آند و یک لایه آلومینیومی برای عمل به عنوان کاتد و تشکیل یک LED ترکیب شد.
"سایتو" می گوید: این اولین تحقیقی است که از پوسته های دورریز برنج یک LED ایجاد می کند.
اکنون دانشمندان امیدوارند که عملکرد این ال ای دی ها را بهبود بخشند تا آن ها را بطور موثرتری درخشنده کنند و نسخه هایی را در رنگ هایی غیر از نارنجی- قرمز توسعه دهند.
آن ها همچنین تصور می کنند که این تکنیک برای استفاده از سایر ضایعات گیاهی مانند گندم، جو و علوفه قابل اقتباس باشد.
این مطالعه در مجله ACS Sustainable Chemistry& Engineering منتشر شده است.
- 15
- 1
