ما المقصود بالنقاط الكمومية

النقطة الكمومية هي نوع من التركيب الذري الجزيئي في المقياس النانوي أو البلورة النانوية المصنوعة من السيليكون ومواد أشباه الموصلات.

النقاط الكمومية

النقاط الكمومية (QDs) هي بلورات نانوية من صنع الإنسان يمكنها نقل الإلكترونات، عندما يضرب ضوء الأشعة فوق البنفسجية هذه الجسيمات النانوية شبه الموصلة يمكن أن ينبعث منها ضوء بألوان مختلفة، وتعتبر هذه الجسيمات النانوية الاصطناعية من أشباه الموصلات التي وجدت تطبيقات في المركبات والخلايا الشمسية والعلامات البيولوجية الفلورية.

تم وضع نظرية الجسيمات النانوية لأشباه الموصلات (النقاط الكمومية) في السبعينيات، وتم إنشاؤها في البداية في أوائل الثمانينيات، فإذا كانت جسيمات أشباه الموصلات صغيرة بدرجة كافية فإن التأثيرات الكمومية تلعب دورًا مما يحد من الطاقات التي يمكن أن توجد بها الإلكترونات والثقوب غياب الإلكترون في الجسيمات.

نظرًا لأن الطاقة مرتبطة بالطول الموجي أو اللون فهذا يعني أنه يمكن ضبط الخصائص الضوئية للجسيم بدقة اعتمادًا على حجمه، وبالتالي يمكن تصنيع الجسيمات لإصدار أو امتصاص أطوال موجية محددة من الضوء بمجرد التحكم في حجمها.

إن النقاط الكمومية هي بلورات نانوية من صنع الإنسان لديها القدرة على تحويل طيف من الضوء إلى ألوان مختلفة، حيث تصدر كل نقطة لونًا مختلفًا حسب حجمها، وهي هياكل نانوية اصطناعية يمكن أن تمتلك العديد من الخصائص المتنوعة اعتمادًا على مادتها وشكلها على سبيل المثال نظرًا لخصائصها الإلكترونية الخاصة يمكن استخدامها كمواد نشطة في الترانزستورات أحادية الإلكترون.

كيف يتم تحديد خصائص النقاط الكمومية

لا يتم تحديد خصائص النقطة الكمومية فقط بحجمها، ولكن أيضًا من خلال شكلها وتكوينها وهيكلها على سبيل المثال إذا كانت صلبة أو مجوفة ويجب أن تكون تقنية التصنيع الموثوقة التي تستخدم خصائص النقاط الكمومية لعدد كبير من التطبيقات في مجالات مثل التحفيز أو الإلكترونيات أو الضوئيات أو تخزين المعلومات أو التصويرة أو الطب أو الاستشعار، وهي قادرة على إنتاج كميات كبيرة من البلورات النانوية، حيث يتم إنتاج كل دفعة وفقًا للمعايير نفسها تمامًا.

لأن جزيئات بيولوجية معينة قادرة على التعرف الجزيئي والتجمع الذاتي، ويمكن أن تصبح البلورات النانوية أيضًا لبنة بناء مهمة للأجهزة النانوية الوظيفية ذاتية التجميع، علاوة على ذلك تساهم حالات الطاقة الشبيهة بالذرة في QDs في الخصائص البصرية الخاصة مثل الطول الموجي المعتمد على حجم الجسيمات للفلورة وهو تأثير يستخدم في تصنيع المجسات الضوئية للتصوير البيولوجي والطبي.

أين يتم استخدام النقاط الكمومية

حتى الآن وجد استخدام النقاط الكمومية في التحليلات الحيوية و(biolabeling) مجموعة واسعة من التطبيقات للنقاط الكمومية الغروية، وعلى الرغم من أن الجيل الأول من النقاط الكمومية أشار بالفعل إلى إمكاناتها فقد تطلب الأمر الكثير من الجهد لتحسين الخصائص الأساسية لا سيما الاستقرار الغرواني في المحلول المحتوي على الملح.

في البداية تم استخدام النقاط الكمومية في بيئات اصطناعية للغاية، وكان من الممكن أن تترسب هذه الجسيمات ببساطة في عينات حقيقية مثل الدم، حيث تم حل هذه المشكلات ووجدت النقاط الكمومية استخدامات عديدة في التطبيقات الحقيقية.

وجدت النقاط الكمومية تطبيقات في المركبات والخلايا الشمسية خلايا (Grätzel) والعلامات البيولوجية الفلورية على سبيل المثال لتتبع الجزيء البيولوجي التي تستخدم كلاً من حجم الجسيمات الصغير ومستويات الطاقة القابلة للضبط.

كما أدت التطورات في الكيمياء إلى إعداد نقاط كمومية بلورية أحادية الطبقة وعالية الجودة ومتفرقة ومتعددة الطبقات يصل قطرها إلى 2 نانومتر والتي يمكن معالجتها ومعالجتها بسهولة ككاشف كيميائي نموذجي.

تطبيقات النقاط الكمومية

النقاط الكمومية في الطب

تُمكِّن النقاط الكمومية الباحثين من دراسة عمليات الخلايا على مستوى جزيء واحد، وقد تُحسِّن بشكل كبير من تشخيص وعلاج أمراض مثل السرطانات، تُستخدم النقاط الكمومية إما كعناصر مستشعر نشطة في التصوير الخلوي عالي الدقة، حيث يتم تغيير خصائص التألق للنقاط الكمومية عند التفاعل مع التحليل أو في تحقيقات التسمية السلبية.

حيث تم اقتران جزيئات المستقبل الانتقائية مثل الأجسام المضادة بسطح النقاط، ويمكن للنقاط الكمومية أن تحدث ثورة في الطب، ولسوء الحظ معظمهم سامون ومن المفارقات أن وجود المعادن الثقيلة في النقاط الكمومية مثل الكادميوم، وهو مادة سامة ومسرطنة راسخة للإنسان يشكل مخاطر محتملة خاصة للتطبيقات الطبية في المستقبل، حيث يتم حقن الكيو ديوتس عمداً في الجسم.

مع تزايد استخدام المواد النانوية للتطبيقات الطبية الحيوية يجب معالجة التلوث البيئي والسمية وأصبح تطوير مادة نانوية غير سامة ومتوافقة حيويًا قضية مهمة.

النقاط الكمومية في الخلايا الكهروضوئية

تكمن جاذبية استخدام النقاط الكمومية لصنع الخلايا الشمسية في العديد من المزايا مقارنة بالطرق الأخرى، حيث يمكن تصنيعها في عملية توفير الطاقة في درجة حرارة الغرفة، ويمكن صنعها من مواد وفيرة وغير مكلفة لا تتطلب تنقية مكثفة كما يفعل السيليكون ويمكن تطبيقها على مجموعة متنوعة من مواد الركيزة الرخيصة وحتى المرنة مثل البلاستيك خفيف الوزن.

على الرغم من أن استخدام النقاط الكمومية كأساس للخلايا الشمسية ليس فكرة جديدة، إلا أن محاولات تصنيع الأجهزة الكهروضوئية لم تحقق بعد كفاءة عالية بما فيه الكفاية في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة.

الطريق الواعد للخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية هو حبر أشباه الموصلات بهدف تمكين طلاء مساحات كبيرة من ركائز الخلايا الشمسية في خطوة ترسيب واحدة، وبالتالي التخلص من عشرات خطوات الترسيب الضرورية باستخدام طريقة الطبقة السابقة.

نقاط الجرافين الكمومية

أصبح الجرافين وهو في الأساس شكل مستوٍ غير منظم من أنابيب الكربون النانوية مادة مرشحة مثيرة للاهتمام للغاية للإلكترونيات النانوية، حيث أظهر الباحثون أنه من الممكن استخراج ترانزستورات نانوية من بلورة جرافين واحدة أي نقاط الجرافين الكمومية، وعلى عكس جميع المواد المعروفة الأخرى يظل الجرافين مستقرًا وموصلًا للغاية حتى عند تقطيعه إلى أجهزة بعرض نانومتر واحد.

تُظهر نقاط الجرافين الكمومية (GQDs) أيضًا إمكانات كبيرة في مجالات الإلكترونيات الضوئية والخلايا الكهروضوئية والاستشعار الحيوي والتصوير الحيوي نظرًا لخصائصها الفريدة في التلألؤ الضوئي (PL) بما في ذلك التوافق الحيوي الممتاز والسمية المنخفضة والاستقرار العالي ضد التبييض الضوئي والربط الضوئي.

لا يزال العلماء يعملون على إيجاد طرق فعالة وعالمية لتركيب النقاط الكمومية مع ثبات عالٍ، وخصائص سطح يمكن التحكم فيها وطول موجي انبعاث PL قابل للضبط.

النقاط الكمومية للبيروفسكايت

تعد النقاط الكمومية المضيئة التي تمتلك إنتاجية كمية عالية من التلألؤ الضوئي وتحكمًا مرنًا في الانبعاث اللوني وإمكانية معالجة المحلول واعدة للتطبيقات في أنظمة الإضاءة مثل الضوء الأبيض الدافئ بدون تشعيع الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء وشاشات عالية الجودة.

ومع ذلك فقد تم إعاقة تسويق النقاط الكمومية المضيئة (LQDs) بسبب التكلفة الباهظة لإنتاجها، وحاليًا يتم تحضير (LQDs) بواسطة طريقة (HI) والتي تتطلب درجة حرارة عالية ومعالجة سطح مملة من أجل تحسين الخواص البصرية والاستقرار.

وعلى الرغم من تطويرها مؤخرًا فقط إلا أن أنظمة النقاط الكمية غير العضوية من الهاليد بيروفسكايت قد أظهرت أداءً مشابهًا بل وأفضل من النقاط الكمومية التقليدية في العديد من المجالات، من خلال إعداد النقاط الكمومية غير العضوية عالية الانبعاث من البيروفسكايت (IPQDs) في درجة حرارة الغرفة يمكن أن تؤدي المزايا البصرية الفائقة لـ (IPQDs) إلى تطبيقات واعدة في الإضاءة والشاشات.

شاشات وتلفزيونات النقاط الكمومية

قد يكون الاستخدام الأكثر شيوعًا للنقاط الكمومية في الوقت الحاضر هو شاشات التلفزيون، حيث أطلقت (Samsung و LG) أجهزة تلفزيون QLED في عام 2015 وتبعتها بعض الشركات الأخرى بعد فترة وجيزة، وستكون النقاط الكمومية نشطة ضوئيًا وذات نشاط كهربائيًا وتتميز بخصائص فيزيائية فريدة في صميم شاشات الجيل التالي.

بالمقارنة مع مواد الإنارة العضوية المستخدمة في الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLEDs) تتمتع المواد القائمة على QD بألوان أنقى وعمر أطول وتكلفة تصنيع أقل واستهلاك أقل للطاقة، ويوجد ميزة رئيسية أخرى هي أنه نظرًا لإمكانية إيداع QDs على أي ركيزة تقريبًا، حيث يمكن توقع شاشات كمومية قابلة للطباعة ومرنة حتى قابلة للدحرجة من جميع الأحجام.

تبعث النقاط الكمومية الضوء بأطوال موجية يتم تحديدها حسب حجمها ويشير اسم النقطة الكمومية إلى الاستخدام الضروري للضوء في كل من الجسيمات وأشكال الموجة.