چند کیلوگرم نقطه کوانتومی

مجید جویا: یک دهه است که گفته می‌شود نانوبلور‌هایی که نقاط کوانتومی (کوانتوم‌دات) نامیده می‌شوند، زمینه‌ساز انقلابی در فناوری‌های نمایشگرها، انرژی خورشیدی و تصویربرداری زیستی خواهند شد. ولی هنوز بازار نقاط کوانتومی کوچک مانده و تنها چند شرکت در این حوزه فعال هستند که این نقاط را به محققان می‌فروشند، یا از ذراتی استفاده می‌کنند که محصول خود را بهبود ببخشند یا مجوز استفاده از فناوری خود را به شرکا بدهند.

دیوید هوانگ از شرکت تحقیقات بازار لوکس‌ریسرچ در نیویورک در گفتگو با نیچر می‌گوید: «مدت مدیدی است که این نقاط کوانتومی وجود دارند، ولی برای تکامل آنها زمان زیادی لازم است». قیمت، یکی از موانع عمده در این راه است: قیمت هر گرم از نقاط کوانتومی بین سه‌هزار تا ده‌هزار دلار آمریکا است، و این مسئله استفاده آنها را به کاربردهای خیلی تخصصی محدود می‌کند.

ولی تحلیلگران صنعتی اکنون پیش‌بینی می‌کنند که در چند سال آینده، بازار این فناوری رشد شدیدی را شاهد باشد که ناشی از نیاز به کاهش مصرف انرژی در نمایشگرها و روشنایی است، و این کار با استفاده از فرایندهای تولید صنعتی ارزان‌تر و بهینه‌تر ممکن خواهد شد. در شهریورماه گذشته، یک شرکت تحقیقات بازار پیش‌بینی کرد که بازار محصولات مبتنی بر نقاط کوانتومی از 28.6 میلیون دلار سال 2008 / 1387 به 721 میلیون دلار تا سال 2013 / 1392 برسد که خصوصا ناشی از رشد اپتوالکترونیک (الکترونیک نوری) در سال 2010 / 1389 خواهد بود.

مقیاس شمارش نقطه: کیلوگرم
بیشتر نقاط کوانتومیی موجود در بازار یک هسته نیمه‌رسانا دارند که معمولا ترکیبی از کادمیوم و سلنیوم است و قطری بین 2 تا 10 نانومتر دارد. این هسته داخل حفاظی قرار دارد که معمولا از جنس نیمه‌رسانای دیگری است و یک لایه پلیمری یا غیر آلی نیز کل آن را می‌پوشاند.

اندازه کوچک این نقاط به آنها خواص منحصر به‌فردی می‌دهد. فوتون‌هایی که به یک نقطه برخورد می‌کنند، یک الکترون را از ماده نیمه رسانا تحریک می‌کنند و یک "حفره" با بار مثبت بر جا می‌ماند: ترکیب این الکترون و حفره، یک exciton نامیده می‌شود. در یک نیمه‌رسانای بزرگ، اکسیتون‌ها گستره‌ای از انرژی‌ها را با طیفی پیوسته دارند، ولی در نقاطی با اندازه نانو، اکسیتون‌ها حالت‌های انرژی کوانتیده مشخصی دارند. این به این معنا است که وقتی که یک الکترون تحریک شده با یک حفره ترکیب می‌شود، فوتونی با طول‌موج مشخص و قابل پیش‌بینی آزاد می‌کند. نقاط کوچک‌تر نور آبی تولید می‌کنند، در حالی که نقاط بزرگ‌تر از همان جنس نور قرمز تولید می‌کنند.

به رغم این‌که نقاط کوانتومی در ابتدا با استفاده از فناوری‌های گران قیمت صنایع تراشه‌‌های کامپیوتری تولید می‌شدند، بیشتر نقاط در حال حاضر با روش‌های شیمیایی تولید می‌شوند، مانند پاشیدن محلول‌های واکنش‌گرهای آلی-فلزی به یک حلال. ولی استفاده از این روش در مقیاس صنعتی (که برای کاهش هزینه‌های تولید این نقاط الزامی است) با مشکلاتی مواجه است، چراکه ثابت نگاه داشتن دما در سطح مورد نیاز با افزایش حجم سخت‌تر است.

راه‌حل انگلیسی

شرکت نانوکو در منچستر انگلستان، احتمالا پاسخ را یافته است. این شرکت فرایند ناپیوسته‌ای را در دمای پایین‌تر مورد استفاده قرار داده که در آن از مولکول‌های ریز برای ایجاد چندین کیلوگرم از نقاط از هر محلول واکنشگرها استفاده می‌شود. ووکستل که در بیورتون اورگان مستقر است، به ادعای جرج ویلیامز مدیر عامل این شرکت، در حال آزمایش نوعی فرایند تولید پیوسته است که می‌تواند در هر هفته چندین کیلوگرم از این نقاط را به قیمت کمتر از 10 دلار به ازای هر گرم تولید کند.

اولین کاربرد تجاری از نقاط کوانتومی در سال 2002 / 1381 بود، هنگامی‌که یک شرکت کالیفرنیایی نانوفناوری اولین عامل تصویربرداری زیستی خود را به بازار عرضه کرد. به عنوان مثال، گروه‌های شیمیایی متصل به لایه بیرونی نقاط می‌توانند به سلول‌های مشخصی وصل شوند و مسیر حرکت آنها را مشخص کنند. اندازه‌های گوناگون نقاط که رنگ‌های مختلفی را می‌تابانند، می‌توان برای ردیابی همزمان فعالیت‌های چندگانه سلولی استفاده کرد.

تحقیقات اخیر که راه‌حلی برای یک مشکل دیرپا ولی در عین حال ناشناخته یافته است، می‌تواند به گسترش تصویربرداری زیستی کمک کند. بعضی از نقاط کوانتومی، مخصوصا آنها که از فرایندهای شیمیایی به دست آمده‌اند، تمایل دارند که تصادفی سوسو بزنند. ماه گذشته، تاد کراوس از دانشگاه روچستر در نیویورک و همکارانش اعلام کردند که با ترکیب عناصر تشکیل دهنده نیمه‌رسانا و حفاظ دور آن (یعنی ترکیبی از سلنیوم، کادمیوم و روی) می‌توانند راهی برای حذف سوسو زدن بیابند. به عقیده کراوس، هنوز یک دهه تا تولید صنعتی موادی که سوسو نزنند باقی است، و البته هنوز مشخص نیست که این کشف قابلیت بسط به دیگر نقاط کوانتومی را نیز داشته باشد، ولی اگر اینگونه شود «این صنعت گامی بلند به جلو برداشته است».

شرکت اویدنت در تروی نیویورک که به تصویربرداری زیستی با استفاده از نقاط کوانتومی اشتغال دارد، در صدد است با استفاده از این نقاط، راهی برای تنظیم نور ال.ای.دی‌ها بیابد. این نقاط طیف وسیعی از طول‌موج‌ها را که توسط ال.ای.دی تولید شده جذب می‌کنند، در حالی که نور تولیدی‌شان پهنای باند خیلی کمتری دارد، و طول‌موج کاملا مشخصی را تولید می‌کند. این شرکت هم‌اکنون نوارهای تزئینی از ال.ای.دی.های نقاط کوانتومی را در طیفی از رنگ‌ها تولید می‌کند.

هم‌زمان، مایکل ادلمن مدیر عامل نانوکو می‌گوید که در 18 ماه آینده، تلویزیون‌هایی به بازار عرضه خواهند شد که نور آنها از طریق نقاط کوانتومیی این شرکت تامین می‌گردد. این منبع ال.ای.دی‌‌های نقاط کوانتومی به رنگ‌های قرمز، آبی و سبز را که راندمان بالاتری دارند، ترکیب و گرمای کمتری به نسبت منابع فعلی نور نمایشگرها تولید خواهد کرد.

روشنایی کوانتومی برای خانه‌ها
و شرکت ‌QD Vision در واترتاون ماساچوست نیز در حال ورود به بازار روشنایی تجاری است. این شرکت در سال 2004 / 1383 توسط 4 نفر از اعضای هیئت علمی ام.آی.تی (انستیتو فناوری ماساچوست) پایه‌گذاری شد و از کمک‌های ست‌کو سولیوان، مهندس برق که اکنون مدیر ارشد فنی است و مونگی باوندی که به ابداع روش شیمیایی تولید نقاط کوانتومی بر پایه کادمیوم کمک کرد؛ نیز بهره می‌برد. (روش شیمی تر برای تولید نقاط کوانتومی بر پایه کادمیوم در سال 1993 / 1372 در مقاله‌ای به قلم سی.بی مورای، دی.جی نوریسون و ام.جی باوندی در ژورنال انجمن شیمی امریکا به چاپ رسید)

کیو.دی ویژن با همکاری شرکت نکسوس قصد تولید لامپ‌های ال.ای.دی‌ نقاط کوانتومی مناسب برای کاربردهای تجاری و محلی را دارد. به گفته دان باتن، مدیرعامل کیو.دی ویژن، این لامپ‌ها که در اوایل ماه می به بازار عرضه شدند، راندمان ال.ای.دی‌‌ها و نور گرم‌تر حباب‌های معمولی تابشی را با هم ترکیب کرده‌اند. او امیدوار است که این لامپ‌ها بتوانند جایگزین مناسبی با راندمان انرژی خوب برای لامپ‌های تنگستن یا هالوژن باشند، و مشکلاتی مانند نور سفید نامناسب لامپ‌های فلوئورسنت و یا ال.ای.دی‌‌های فعلی را نیز نداشته باشند. این شرکت امیدوار است که بتواند تا پایان سال فروش این لامپ‌ها را که بین 50 تا 100 دلار قیمت خواهند داشت آغاز کند.

هوانگ می‌گوید که این نوع از همکاری در این بازار امری متداول است. «خیلی از این شرکت‌ها، هم در توسعه محصولات و هم در شراکت در محصول، تا حد زیادی به شرکت‌های بزرگ وابسته شده‌اند».

خورشید، سر خم می‌کند
انرژی خورشیدی نیز می‌تواند سود زیادی از این نقاط کوچک ببرد. محققان استفاده از آنها را در متمرکز کننده‌های خورشیدی شروع کرده‌اند. متمرکزکننده‌ها صفحات یکنواختی هستند که نور را از محدوده‌ای وسیع به روی یک صفحه خورشیدی متمرکز می‌کنند. هم اکنون از رنگ‌های آلی برای جذب و بازتابش نور در این صفحات استفاده می‌شود، نوری که در نهایت یه سلول خورشیدی که در لبه آن قرار دارد برخورد می‌کند.

ولی رنگ‌های آلی در جذب رنگ قرمز ار نور خورشید خیلی خوب عمل نمی‌کنند و به مرور زمان تضعیف می‌شوند. نقاط کوانتومی قوی‌ترند و می‌توانند نور را از فرابنفش تا فروسرخ طیف نور جمع‌آوری کنند، و در جذب نور پراکنده شده روزهای ابری نیز خیلی بهتر عمل می‌کنند. ولی اماندا چاتن که در ایمپریال کالج لندن روی توسعه متمرکزکننده‌های خورشیدی کار می‌کند، می‌گوید که درگیر چالشی برای خرید نقاط کوانتومی است که کارایی بالایی داشته باشند.

و کماکان قیمت مهم‌ترین مانع است. به گفته چاتن «در این لحظه، قیمت نقاط کوانتومی تقریبا هزار برابر بیشتر از رنگ‌های آلی است». به گفته او برای اینکه بتوان از نقاط کوانتومی در متمرکزکننده خورشیدی استفاده کرد، باید قیمت آنها بین 100 تا 1000 مرتبه کاهش بیابند.

ولی به رغم رکود اقتصادی جهانی، بازارها به آینده امیدوارند. در اواسط اردیبهشت، نانوکو وارد بورس لندن شد و تا اواسط خرداد قیمت هر سهم آن از 0.21 پوند به 0.56 پوند افزایش یافت. الدمن می‌گوید که شرکت او درگیر تکمیل یک مجموعه تولیدی جدید بزرگ در منچستر است، و قصد ایجاد خط دیگری را نیز در آسیا دارد. او می‌گوید: «اگر این بازار جهش خود را شروع کند، ما به مواد اولیه خیلی زیادی نیاز خواهیم داشت».