نقاط الكم
خصائص وتطبيقات
صنف المقال : نانوتكنولوجيا المواد
الكاتب: حيدر علي ناصر
طالب دكتوراه/ هندسة النانوتكنولوجي
أليس من الرائع أن نتمكن من التحكم في الذرات الفردية ؟ فقط تخيل ما إذا كان بإمكاننا “تشغيلها” وإيقاف تشغيلها لتخزين أجزاء من المعلومات ، أو جعلها تضيء بألوان مختلفة ، أو التحكم فيها بجميع أنواع الطرق الأخرى.
هذه الامنيات تحققت فعليا، بعد ان اكتشفوا العلماء كيفية تحقيق ذلك باستخدام تقنيات النانوتكنولوجي لتلك الذرات الموجودة في هيكلية اشباه الموصلات واعطاءها حرية التحرر لنتكتشف مواد نانوية صغيرة الحجم ( من 1 الى 10 نانومتر ) وكبيرة الاهمية التطبيقية تسمى “النقاط الكمومية” ( Quantum Dots ).
ببساطة ، هذه النقاط الصغيرة تعد بإحداث ثورة في كل شيء بدءًا من أضواء المنزل وشاشات الكمبيوتر إلى الخلايا الشمسية وكاشفات الحرب البيولوجية. فما هي وكيف تعمل؟ دعونا نلقي نظرة على تقرير مبسط لهذه النقاط الكمومية. .
المقدمة:
تم اكتشاف النقاط الكمومية في المواد الصلبة ( البلورات الزجاجية ) في عام 1980 من قبل الفيزيائي الروسي أليكسي إيكيموف. في أواخر عام 1982 ، ثم اكتشف الكيميائي الأمريكي لويس إي بروس ، الذي كان يعمل آنذاك في مختبرات بيل ، نفس الظاهرة ولكن في المواد السائلة ( الحلول الغروية ) حيث تنتشر جزيئات صغيرة من مادة في جميع أنحاء السائل. اكتشف لويس أن الطول الموجي للضوء المنبعث أو الممتص بواسطة نقطة كمية تغير على مدى ساعات و أيام مع نمو البلورة ،حيث استنتج من هذه الظاهرة إلى أن حصر الإلكترونات يعطي خصائص الجسيمات الكمومية.
تسمى النقطة الكمومية بهذا الاسم لأنها نقطة صغيرة من المادة صغيرة جدًا لدرجة أنها تتركز بشكل فعال في نقطة واحدة (بمعنى آخر ، إنها ذات أبعاد صفرية ). ونتيجة لذلك ، فإن الجسيمات الموجودة داخلها التي تحمل صفة اشباه الموصلات (الإلكترونات والثقوب ) محاصرة (“مقيدة”) ولديها مستويات طاقة محددة جيدًا وفقًا لقوانين نظرية الكم ، حيث وصف عدة باحثون النقاط الكمومية (عبارة عن بلورات يبلغ عرضها بضعة نانومتر ، لذا فهي عادةً ما تكون بضع عشرات من الذرات عبرها وتحتوي على أي شيء ربما من مائة إلى بضعة آلاف من الذرات. إنها مصنوعة من أشباه الموصلات مثل السليكون (مادة ليست في الواقع موصلًا ولا عازلًا ، ولكن يمكن معالجتها كيميائيًا حتى تتصرف كمادة شبه موصلة). وعلى الرغم من أنها بلورات ، إلا أنها تتصرف أكثر مثل الذرات الفردية.
خصائص نقاط الكم :
في الفيزياء نحن نعلم ان بلورات اشباه الموصلات تتضمن مستويات حزم طاقة تعرف بحزمة التوصيل – conduction band ( CB) وتكون مستوى طاقة اعلى , وحزمة التكافؤ-valance band (VB) تكون مستوى طاقة اسفل , والمسافة التي بينهما تسمى فجوة النطاق ( Energy gap ).
علميا إذا سلطت طاقة على الذرة ، فيمكنك “إثارة” الالكترون ( شحنة سالبة ) الموجود داخل الذرة إلى مستوى طاقة أعلى (انتقال الالكترون من حزمة التكافؤ الى حزمة التوصيل ) . عندما تعود الالكترونات الى مستوى طاقة اقل ، تعطى الطاقة الخارجة كفوتون للضوء.
يعتمد لون الضوء المنبعث على مستويات الطاقة ويختلف من ذرة إلى أخرى. تنتج النقاط الكمومية الضوء بطريقة مماثلة، لأن الإلكترونات والثقوب المقيدة بداخلها تمنحهم مستويات طاقة منفصلة ومحددة بنفس الطريقة. ومع ذلك ، تخضع مستويات الطاقة لحجم النقطة الكمومية بدلاً من المادة التي صنعت منها.
يعتمد اللون (الطول الموجي والتردد) للضوء الذي ينبعث من الذرة على ما هي الذرة ؛ يبدو الحديد أخضر عندما تثير ذراته عن طريق اشعاله في لهب ساخن ، بينما يبدو الصوديوم أصفر ، وذلك بسبب طريقة ترتيب مستويات طاقتها. القاعدة هي أن الذرات المختلفة في مستويات الطاقة في بنيتها البلورية تعطي ألوانًا مختلفة من الضوء. كل هذا ممكن لأن مستويات الطاقة في الذرات لها قيم محددة. وبعبارة أخرى ، يتم حسابها كميا .
تقوم النقاط الكمومية بنفس العملية التي تولدت منها الطاقة في اشباه الموصلات التقليدية – ولديها أيضًا مستويات طاقة محددة – لكن النقاط المصنوعة من نفس المادة (مثل السيليكون) ستعطي ألوانًا مختلفة من الضوء اعتمادًا على حجمها. حيث تنتج أكبر النقاط الكمومية أطوال موجية طويلة (وأقل ترددات) ، بينما تنتج أصغر النقاط أطوالًا موجية أقصر (وترددات أعلى) ؛ من الناحية العملية ، هذا يعني أن النقاط الكبيرة تصنع الضوء الأحمر ( 7nm ) والنقاط الصغيرة تصنع اللون الأزرق(2nm ) ، مع النقاط المتوسطة الحجم التي تنتج الضوء الأخضر و باقي الوان الطيف المرئي ( 400nm – 700nm ). التفسير لهذا بسيط , حيث تحتوي النقطة الصغيرة (small dots) على فجوة نطاق أكبر (وهو الحد الأدنى من الطاقة التي تحتاجها لتحرير الإلكترونات حتى تنقل شحنة الطاقة عبر المادة ) ، لذلك يستغرق الأمر المزيد من الطاقة لإثارة ذلك ؛ لأن تردد الضوء المنبعث يتناسب مع الطاقة ، فإن النقاط الصغيرة ذات الطاقة الأعلى تنتج ترددات أعلى (وأطوال موجية أقصر). تحتوي النقاط الأكبر (large dots) على فجوة نطاق اصغر , وتحرير الالكترونات لا يحتاج الى مزيد من الطاقة ، لذا فهي تعطي ترددات أقل (وأطوال موجية أطول).
تطبيقات نقاط الكم:
حتى الآن ، اجتذبت النقاط الكمومية (QDs) معظم الاهتمام بسبب خصائصها البصرية المثيرة للاهتمام , يتم استخدامها لجميع أنواع التطبيقات حيث يكون التحكم الدقيق في انبعاث الضوء الملون أمرًا مهما, في كثير من التطبيقات البصرية والطبية , سنذكر هنا بعض من التطبيقات الاساسية لنقاط الكم.
- الخلايا الشمسية:
لا يزال في عالم البصريات ، الترحيب بالنقاط الكمومية كتقنية في تطوير الخلايا الشمسية أكثر كفاءة. في خلية شمسية تقليدية ، فإن فوتونات ضوء الشمس تضرب الإلكترونات من أشباه الموصلات إلى دائرة ، مما يجعل الطاقة الكهربائية المفيدة ، ولكن كفاءة العملية منخفضة جدًا. تنتج (QDs) المزيد من الإلكترونات (أو الثقوب) لكل فوتون يصدمها ، ومن المحتمل أن تقدم تعزيزًا في الكفاءة ربما بنسبة 10 بالمائة على أشباه الموصلات التقليدية. تعمل CCD (أجهزة مقترنة بالشحن) ومستشعرات CMOS ، وهي رقائق كشف الصور الموجودة مثلا: في الكاميرات الرقمية وكاميرات الويب ، بطريقة مماثلة للخلايا الشمسية ، من خلال تحويل الضوء الوارد إلى أنماط من الإشارات الكهربائية ؛ يمكن استخدام النقاط الكمومية الفعالة لإنشاء مستشعرات صور أصغر وأكثر كفاءة للتطبيقات التي تكون فيها الأجهزة التقليدية كبيرة جدًا.
- شاشات العرض:
الخصائص البصرية التي تتمتع بها النقاط الكمومية جعلت واحدة من اهم تطبيقاتها هي الشاشات, شاشات التلفاز، شاشات الكمبيوتر ، شاشات الهواتف المحمولة ، حيث تقدم ثلاث مزايا مهمة:
اولا: في شاشة LCD النموذجية ( شاشة عرض بلورية سائلة ) ، يتم إنشاء الصورة التي تراها من خلال مجموعات صغيرة من البلورات الحمراء والزرقاء والخضراء (مرشحات الألوان التي يتم تشغيلها وإيقاف تشغيلها تحت التحكم الإلكتروني ) والتي تضاء من الخلف بواسطة إضاءة خلفية مشرقة للغاية. يمكن ضبط النقاط الكمية لإعطاء ضوء من أي لون ، لذلك من المرجح أن تكون ألوان شاشة النقاط الكمية أكثر واقعية.
ثانيا: تنتج النقاط الكمية الضوء بنفسها حتى لا تحتاج إلى إضاءة خلفية ، مما يجعلها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة (اعتبار مهم في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف المحمولة حيث يكون عمر البطارية مهمًا جدًا مقارنة بسطوع الشاشة ).
ثالثًا: النقاط الكمية أصغر كثيرًا من البلورات السائلة ، لذا فإنها تعطي صورة عالية الدقة. كما تعد النقاط الكمية أكثر سطوعًا من التقنية المنافسة المعروفة باسم مصابيح LED العضوية (OLED) ويمكن أن تجعل شاشات OLED عتيقة.
من الناحية التقنية البحتة ، الاختلاف بين الشاشات هو أن شاشات الكريستال السائل ( LCD) مضاءة بمصفوفات إضاءة LED ( الدايود الباعث للضوء ) مدمجة ومميزة ، في حين أن OLED تنبعث منها ذاتيًا – كل بكسل هو الضوء الخاص بها.
- أجهزة انبعاث الضوء:
تعد QDs واعدة للأجهزة التي ينبعث منها الضوء وقد تحسن أداء الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) ، مما يؤدي إلى التصميم الجديد لـ “Quantum Dot Light Emitting Diode”. QDs (QLED) مفيدة جدًا لأجهزة العرض مع مراعاة خصائصها البصرية الفريدة. حيث اثبتت القدرة على تقديم ألوان أكثر دقة ورائعة بشكل واضح. تم تحقيق عرض QDs الذي يثبت صحة المفهوم بنجاح من منظور تقني منذ سنوات ، ويظهر أداءً جيدًا وانبعاثًا ساطعًا في منطقة الطيف المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء.
- الطب :
احدى اهم التطبيقات للنقاط الكمومية هي التطبيقات الطبية ، بما في ذلك علاجات السرطان في المستقبل الطبي . يمكن تصميم النقاط بحيث تتراكم في أجزاء معينة من الجسم ثم تقدم أدوية مضادة للسرطان مرتبطة بها. ميزتها الكبيرة هي أنه يمكن استهدافها بأعضاء مفردة ، مثل الكبد ، بشكل أكثر دقة من الأدوية التقليدية ، لذلك تقليل الآثار الجانبية الضارة التي تتميز بها العلاج الكيميائي التقليدي غير المستهدف. تم تكريس جهود كبيرة لتوظيف نقاط الكم للتصوير في المختبر وفي الجسم الحي ، والتي من المتوقع أن تكون مهمة لتشخيص العديد من الأمراض ، وفهم تولد الأجنة ، ومناعة الخلايا اللمفاوية.
كما يتم استخدام النقاط الكمومية بدلاً من الأصباغ العضوية في البحث البيولوجي ؛ على سبيل المثال ، يمكن استخدامها مثل المصابيح الضوئية النانوية لتضيء وتلون الخلايا المحددة التي تحتاج إلى الدراسة تحت المجهر, حيث وجد أن (QDs) أكثر إشراقًا 20 مرة وأكثر استقرارًا 100 مرة من مراسلي الفلورسنت التقليديين.
- اجهزة الكمبيوتر:
تصبح أجهزة الكمبيوتر أسرع وأصغر كل عام ، ولكن سيأتي وقت عندما تمنع الحدود المادية للمواد تقدمها أكثر ، ما لم نطور تقنيات مختلفة تمامًا. تتمثل إحدى الاحتمالات في تخزين المعلومات ونقلها باستخدام الضوء بدلاً من الإلكترونات ، وهي تقنية تُعرف على نطاق واسع باسم الفوتونات. يمكن أن تستخدم أجهزة الكمبيوتر الضوئية النقاط الكمومية بنفس الطريقة التي تستخدم بها أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الترانزستورات (أجهزة التبديل الإلكترونية) – كمكونات أساسية في رقائق الذاكرة.
قد تصنع أجهزة الكمبيوتر الضوئية أو لا تصنع ، اعتمادًا على مدى التقدم الذي يحرزه علماء الكمبيوتر في التقنيات المنافسة ، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية. في الكمبيوتر الكمومي ، لا يتم تخزين البتات (الأرقام الثنائية) عن طريق الترانزستورات ولكن عن طريق الذرات الفردية أو الأيونات أو الإلكترونات أو الفوتونات المرتبطة ببعضها (“متشابكة”) وتعمل بمثابة بتات كمومية تسمى البتات. يمكن لهذه “المفاتيح” ذات المقياس الكمومي تخزين قيم متعددة في وقت واحد والعمل على مشاكل مختلفة بالتوازي. من الصعب التحكم في الذرات الفردية وما إلى ذلك ، ولكن النقاط الكمية (على نطاق أكبر بكثير) سيكون من الأسهل العمل بها.
الخاتمة:
مما سبق ذكره اعلاه هو مقدمة بسيطة ومهمة في نفس الوقت لفهم مصطلح نقاط الكم وكيفية عمل وتوليد هذه النقاط الصغيرة ذات البعد النانوي , في زمن يحتاج اليها المستقبل لتطبيقات كثيرة ومهمه في حياتنا العملية والعلمية .
لمعرفة المزيد عن خصائص هذه النقاط الكمومية , يرجى متابعه المقالة القادمة .
References:
- Mr Tompkins in Paperbackby George Gamow. Cambridge University Press, 1993.
- Six Easy Piecesby Richard Feynman. Basic Books, 2011.
- Hacking Matter: Levitating Chairs, Quantum Mirages, and the Infinite Weirdness of Programmable Atomsby Wil McCarthy. Basic Books, 2004. A very readable, popular-science style introduction to quantum dot technology and its applications.
- Your Guide to Television’s Quantum-Dot Futureby Zhongsheng Luo, Jesse Manders and Jeff Yurek. IEEE Spectrum, February 22, 2018.
- The Cancer Surgeon’s Latest Tool: Quantum Dotsby Imad Naasani. IEEE Spectrum, September 21, 2016.
- How a Mysterious Bacteria Almost Gave You a Better TVby Joanna Klein. The New York Times, May 5, 2016.
- 2-D Materials Produce Optically Active Quantum Dots for First Timeby Dexter Johnson. IEEE Spectrum, May 5, 2015.
- Will Quantum Dots Dominate Displays?by Alfred Poor. IEEE Spectrum, August 22, 2014.
- ‘Quantum dots’ to boost performance of mobile cameras: BBC News, March 22, 2010.
- New Genre of Sugar-Coated ‘Quantum Dots’ For Drug Delivery: ScienceDaily, March 9, 2009.
- Carbon-Based Quantum Dots Could Mean Greener Safer Technology in Medicine and Biology: Space Daily, May 30, 2006.