קדמיום טלוריד (CdTe) נקודות קוונטיות בגדלים שונים פולטות אור בתגובה לעירור באמצעות לייזר UV. קרדיט: פדרו פליפה גרסיה מרטינס דה קוסטה
חוקרים עקבו אחר הקוטר של נקודות קוונטיות מוליכים למחצה בזמן אמת על ידי התבוננות באורך הגל של האור הנפלט.
זוהר היא תוצאה של תהליך שבו עצם סופג אור באורך גל אחד ופולט אותו מחדש באורך גל אחר. במהלך תהליך זה, אלקטרונים במצב הקרקע של החומר קולטים אור ומתרגשים למצב אנרגיה גבוה יותר. לאחר תקופה מסוימת, ייחודית לכל מצב נרגש, האלקטרונים חוזרים למצבי אנרגיה נמוכים יותר, כולל מצב הקרקע, ופולטים אור. תופעה זו מנוצלת במגוון רחב של יישומים טכנולוגיים, הכוללים התקני פוליטה יעילים ביותר וניתנים לשחזור הניתנים למזער בקלות.
החומרים בעלי יעילות הארה הגבוהה ביותר כוללים נקודות קוונטיות (QDs), המשמשות כיום בתצוגות ברזולוציה גבוהה, נוריות, פאנלים סולאריים וחיישנים מסוגים שונים, כגון אלו המשמשים להדמיה רפואית מדויקת. פונקציונליזציה של פני השטח של QDs עם סוגים שונים של מולקולות מאפשרת אינטראקציה עם מבנים תאיים או מולקולות אחרות בעלות עניין לצורך חקירת תהליכים ביולוגיים ברמה מולקולרית.
כליאה קוונטית בנקודות קוונטיות
QDs הם ננו-חלקיקים מוליכים למחצה שמאפייני הפליטה שלהם קשורים ישירות לגודל הנקודה, עקב תופעת הכליאה הקוונטית. מסיבה זו, ניטור ובקרה של צמיחת גבישים במהלך סינתזה של QDs בפתרון מאפשר תכנון מושכל של הארה הרצויה. במאמר שפורסם בכתב העת דוחות מדעייםחוקרים בראשות אנדריאה דה קמארגו, פרופסור במכון הפיזיקה של סאו קרלוס באוניברסיטת סאו פאולו (IFSC-USP) בברזיל, ומשתפי פעולה באוניברסיטת קיל בגרמניה מציגים גישה חדשה לניטור היווצרות QD.
"השתמשנו קדמיום טלוריד (CdTe) כמערכת מודל וצמיחת ננו-חלקיקים מבוקרת בתמיסה מימית מחוממת באמצעות ניתוח זוהר באתרו", אומר פדרו פליפה גרסיה מרטינס דה קוסטה, מועמד לדוקטורט ב-IFSC-USP והמחבר הראשון של המאמר.
הטכניקה מאפשרת למדענים לראות מה קורה בתמיסה בזמן אמת מבלי להשפיע על סינתזת QD, כך שהם יכולים לעקוב אחר צמיחת הגבישים על ידי התבוננות בצבע (אורך הגל) של האור הנפלט. "QDs מסונתזים על ידי ערבוב קדמיום (Cd2+) וטלוריום (Te2-) תמיסות מבשר בנוכחות מגיב לבקרת גודל. הטמפרטורה מוגברת והתגובה הכימית מתחילה באמצעות צבירת יוני טלוריד וקדמיום. ככל שהתגובה ממשיכה, יחידות נוספות של CdTe מצטרפות לאשכול בצורה כדורית בתהליך המכונה הרכבה עצמית. ניתן להעריך את גודל הננו-חלקיקים הודות לניטור מהיר ומדויק של תדרי הפליטה. QDs של CdTe בקוטר של 1-2 ננומטר (נ"מ) פולטים באזורים הכחולים והירוקים של הספקטרום הנראה. QDs גדולים יותר, שמודדים 4-5 ננומטר, פולטים בתדרים נמוכים יותר, כצהוב ואדום בהתאמה", אומר לאונם גוטרדו מריציו, חוקר פוסט-דוקטורט ב-IFSC-USP ומחבר שני של המאמר.
היתרונות של טכניקת In Situ
לדברי קוסטה, לשיטה החדשה יש מספר יתרונות על פני אסטרטגיית הסינתזה הקונבנציונלית. "בטכניקה הקונבנציונלית, אתה צריך לקחת דגימות קטנות של התמיסה כדי למדוד את גודל QD, אבל הטכניקה באתרו מאפשרת לך לעשות זאת בזמן שהתהליך בעיצומו, מבלי שתצטרך להפריע למדיום התגובה כדי לקחת דגימות כך שיותר ספקטרום ניתן להשיג ליחידת זמן, נפח התגובה אינו מושפע ונמנע בזבוז מיותר. לכן ניתן לשלוט על צבע הפליטה של ה-QDs העניין בצורה הרבה יותר מדויקת. הציוד המספק את אור העירור דרך סיב אופטי באורך הגל המתאים גם אוסף את האור הנפלט וקובע את התדר האופייני שלו ב-RGB (אדום, ירוק וכחול) מערכת צבע. ראוי לציין שהשליטה במערכת ה-RGB רלוונטית ליצירת תמונה במספר מכשירים זוהרים, כמו צגים ותצוגות סמארטפונים”, הוא מסביר.
QDs שסונתזו בדרך זו, הוא הוסיף, אופיינו גם באמצעות עקיפה של קרני רנטגן, מיקרוסקופיה של אלקטרונים העברה, ספקטרוסקופיית ספיגה גלויה אולטרה סגול וספקטרוסקופיה של רטט אינפרא אדום.
קיומם של QDs נחזה תיאורטית בשנת 1937 על ידי הרברט פרוהליך (1905-91), פיזיקאי בריטי יליד גרמניה. בשנות ה-80, אלכסיי אקימוב (נולד ב-1945), במה שהייתה אז ברית המועצות, ולואי ברוס (יליד 1943), בארצות הברית, צפו לראשונה באופן עצמאי בכליאה קוונטית בננו-חלקיקים מוליכים למחצה. בשנות ה-90, הפיזיקאי הצרפתי-אמריקאי מוני בונדי (יליד 1961) פיתח שיטות משופרות משמעותית של סינתזת QD. בשנת 2023, אקימוב, ברוס ובוונדי זכו בפרס נובל לכימיה על עבודתם בתחום.
"כליאה קוונטית מעניקה ל-QDs את היכולת להגביל אלקטרונים בתלת מימד, מה שהופך את התופעות הקוונטיות לברורות יותר ומאפיין אותן כחומרי ביניים בין אטומים, מולקולות ומערכים גבישיים גדולים יותר", אומר קוסטה.
"מאמרים רבים פורסמו על סינתזה של QDs עשוי CdTe. התרומה העיקרית של המחקר שלנו מתייחסת לפיתוח ויישום של מערכת מדידת זוהר רב-תכליתית באתר. המתודולוגיה אפשרה לנו להסיק את גודלם של חלקיקי הננו הגבישיים ולאפיין היווצרות תרכובות ביניים בתגובות הכימיות על ידי קשר באתרו עם טכניקות אחרות המאפשרות ניתוח כימי ו/או מבני (FT-IR, Raman, DRX וכו'). התפתחות זו של סינתזה מייעלת את התשואות הכימיות וחוסכת אנרגיה", אומר קמארגו.
המחקר מומן על ידי קרן המחקר של סאו פאולו.
