Κβαντικές κουκκίδες - Τι είναι και πώς μπαίνουν στη ζωή μας

Οι κβαντικές κουκίδες (quantum dots), είναι φθορίζοντα νανοσωμάτια σε διάφορα χρώματα που αποτελούνται από ένα ημιαγώγιμο υλικό, ονομάζονται δε και  ημιαγωγοί νανοκρύσταλλοι.

Το μέγεθος αυτού του νανοκρύσταλλου είναι της τάξης μερικών έως εκατοντάδων νανόμετρων. Οι κβαντικές κουκίδες περιορίζουν τα ηλεκτρόνια, τις οπές, ή τα ζεύγη των ηλεκτρονίων-οπών (που λέγονται και εξιτόνια) σε μηδενικές διαστάσεις, σε μια περιοχή της τάξης του μήκους κύματος de Broglie των ηλεκτρονίων. Αυτός ο περιορισμός οδηγεί σε ιδιαίτερα κβαντοποιημένα ενεργειακά επίπεδα καθώς και στην κβαντοποίηση του φορτίου σε μονάδες του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου.

Κβαντικές κουκίδες από σεληνιούχο κάδμιο φωσφορίζουν σε διαφορετικό χρώμα ανάλογα με το μέγεθος τους

Οι κβαντικές κουκίδες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για τις οπτικές εφαρμογές λόγω της θεωρητικά υψηλής κβαντικής απόδοσης τους. Οι κβαντικές κουκίδες έχουν προταθεί επίσης ως εφαρμογές ενός qubit για την κβαντική επεξεργασία των πληροφοριών.

Επειδή, οι κβαντικές κουκίδες έχουν ιδιαίτερα ενεργειακά επίπεδα, σαν ένα άτομο, καλούνται μερικές φορές "τεχνητά άτομα". Τα ενεργειακά επίπεδα μπορούν να ελεγχθούν αλλάζοντας το μέγεθος και τη μορφή της κβαντικής κουκίδας, καθώς και το βάθος του δυναμικού. Όπως στα άτομα, τα ενεργειακά επίπεδα μικρών κβαντικών κουκίδων μπορούν να εξεταστούν με τεχνικές οπτικής φασματοσκοπίας. Σε αντίθεση με τα άτομα είναι σχετικά εύκολο να συνδεθούν.

Ένα από τα κυριότερα οπτικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα των μικρών κβαντικών κουκίδων είναι ο χρωματισμός. Ενώ το υλικό από το οποίο φτιάχνεται μια κβαντική κουκίδα είναι σημαντικό, σημαντικότερο από την άποψη του χρωματισμού είναι το μέγεθος της. Όσο μεγαλύτερη είναι η κουκίδα, τόσο περισσότερο προς το ερυθρό άκρο του φάσματος φθορίζει. Όσο μικρότερη είναι η κουκίδα, τόσο περισσότερο φως προς το μπλε άκρο του φάσματος εκπέμπει.

Ο χρωματισμός συσχετίζεται άμεσα με τα ενεργειακά επίπεδα της κβαντικής κουκίδας. Οι μεγαλύτερες κβαντικές κουκίδες έχουν περισσότερα ενεργειακά επίπεδα που διαχωρίζονται από μικρότερα ενεργειακά διαστήματα. Αυτό επιτρέπει στις κβαντικές κουκίδες να απορροφήσει φωτόνια που περιέχουν λιγότερη ενέργεια, δηλ. εκείνα προς το ερυθρό άκρο του φάσματος.

Πρόσφατα άρθρα έχουν αρχίσει να προτείνουν ότι η μορφή της κβαντικής κουκίδας μπορεί επίσης να είναι ένας παράγοντας που δίνει το ιδιαίτερο χρώμα,  αλλά μέχρι τώρα δεν υπάρχουν αρκετές πληροφορίες.

Η δυνατότητα να συντονιστεί το μέγεθος των κβαντικών κουκίδων είναι συμφέρουσα, καθώς όσο μεγαλύτερες είναι και όσο προς το κόκκινο μετατοπισμένο είναι το χρώμα των  κβαντικών κουκίδων, τόσο λιγότερες είναι οι κβαντικές ιδιότητες. Το μικρό μέγεθος της κβαντικής κουκίδας μας επιτρέπει να εκμεταλλευθούμε αυτές τις κβαντικές ιδιότητες, στα λέιζερ, στις έγχρωμες οθόνες, τα φωτοβολταϊκά συστήματα και τη βιοαπεικόνιση.

Εκτός από τη χρησιμοποίηση τους για εξαιρετικά λεπτές, επίπεδες, φωτεινές οθόνες, το QD-OLED μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες άλλες εφαρμογές για τη μέτρηση μηκών κύματος για επιστημονικούς σκοπούς, να παράγει μήκη κύματος ορατά μόνο για ρομποτικά μάτια ή για μικροσκοπικούς επιστημονικούς εξοπλισμούς.

Το μόνο μειονέκτημα τους είναι ότι η παραγωγή τους στοιχίζει πάρα πολύ, τουλάχιστον 2.000 δολάρια το γραμμάριο, εξ αιτίας ενός ακριβού διαλύτη (δεκαοκτάνιο) που χρησιμοποιείται για την παρασκευή τους. Τελευταία όμως στο Πανεπιστήμιο Rice επιστήμονες κατάφεραν να αντικαταστήσουν το πανάκριβο διαλυτικό με ένα άλλο φθηνότερο κατά 80%.

Πηγή: Wikipedia 

Τα «κβαντικά» μικρόβια που θα σώσουν τη Γη

Του Γιάννη Παλιούρη
Σε σχέση μ' αυτούς που πίσω από τον κάθε τυχαία αναποδιά ανακαλύπτουν και μια θεωρία συνωμοσίας, εκείνοι που θεωρούν ότι όλα βαίνουν μονίμως καλώς ή ότι κάποιος από μηχανής θεός θα δώσει τη λύση την τελευταία στιγμή είναι μάλλον πιο επικίνδυνοι. Και αυτό γιατί η απραξία και η στασιμότητα μπορούν να διογκώσουν ένα πρόβλημα, σε βαθμό που να κακοφορμίσει. Αυτό, περίπου, είναι το πλαίσιο και σε ό,τι αφορά τη διελκυστίνδα επιχειρημάτων γύρω από την κλιματική αλλαγή, ένα απολύτως υπαρκτό πρόβλημα που θα το βρουν μπροστά τους πολλές γενιές αν δεν ληφθούν σήμερα τα κατάλληλα μέτρα.

Μακριά, όμως, από τις εκατέρωθεν υπερβολές ακτιβιστών, «σελέμπριτις» και πολιτικών, υπάρχει η σοβαρότητα που συναντά κανείς στα επιστημονικά εργαστήρια. Σε ένα από αυτά και συγκεκριμένα στο Πανεπιστήμιο Μπόουλντερ του Κολοράντο, ερευνητές δημιούργησαν νανοβιοχημικά υβρίδια, ικανά να μεταβολίζουν το διοξείδιο του άνθρακα και το άζωτο που υπάρχει στην ατμόσφαιρα και να παράγουν μια ποικιλία πλαστικών και καυσίμων.
Η ωφέλεια είναι διπλή: αφενός δεσμεύεται το διοξείδιο του άνθρακα που υπάρχει στην ατμόσφαιρα, αφετέρου παράγονται πλαστικές ύλες με οικολογικό τρόπο, χωρίς τη χρήση χημικών ουσιών και ορυκτών καυσίμων.

Στο σημείο αυτό ας δούμε γιατί είναι σημαντική η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Τo φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι μια φυσική διαδικασία που διατηρεί τη Γη ζεστή. Τα αέρια του θερμοκηπίου περιλαμβάνουν κυρίως CO₂ και υδρατμούς, που σχηματίζουν μια «κουβέρτα» πάνω από το έδαφος ώστε ένα τμήμα της ηλιακής ακτινοβολίας να εγκλωβίζεται στη Γη. Το υπόλοιπο επανεκπέμπεται στο διάστημα. Ωστόσο οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες έχουν αυξήσει σημαντικά τη συγκέντρωση του CO₂, με αποτέλεσμα την αύξηση της ακτινοβολίας που εγκλωβίζεται στη Γη και την άνοδο της θερμοκρασίας.

Χρησιμοποιώντας κβαντικές κουκίδες ενεργοποιούμενες με φωτισμό, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Μπόουλντερ κατόρθωσαν να πυροδοτήσουν συγκεκριμένα ένζυμα μέσα σε μικροβιακά κύτταρα, δημιουργώντας «ζωντανά εργοστάσια» που καταβροχθίζουν CO₂ μεταβολίζοντάς το σε βιοαποικοδομήσιμο πλαστικό, αμμωνία, βιοντίζελ ακόμα και βενζίνη.
Πρόκειται για καινοτομία που αποδεικνύει στην πράξη τη δύναμη των βιοχημικών διαδικασιών στη μάχη για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής.

Οι κβαντικές κουκίδες (QDs) είναι μικροσκοπικά σωματίδια με μέγεθος μερικών νανόμετρων και ιδιότητες που διαφέρουν από τα μεγαλύτερα σωματίδια, λόγω κβαντομηχανικής. Στο πείραμα του Πανεπιστημίου Μπόουλντερ εγχύθηκαν μέσα στα κύτταρα των μικροβίων και ενεργοποιήθηκαν μόνο αφού βομβαρδίστηκαν από συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός. Ουσιαστικά, λειτούργησαν σαν «μπουζί» που έθεσε σε κίνηση μια αλυσιδωτή βιοχημική αντίδραση.

Ποιο είναι το σχέδιο, λοιπόν. Τεχνητές λίμνες γεμάτες μικρόβια που ψεκάζοντας τες με κβαντικές κουκίδες θα τα μετατραπούν σε αδρανή εργοστάσια κατανάλωσης αερίων. Την ενεργοποίηση θα την αναλάβει ο ήλιος, η ακτινοβολία του οποίου θα «ξυπνήσει» τις κουκίδες. Διαφορετικοί συνδυασμοί κουκίδων και φωτός θα παράγουν διαφορετικά προϊόντα: Τα πράσινα μήκη κύματος αναγκάζουν τα βακτήρια να καταναλώνουν άζωτο και να παράγουν αμμωνία, ενώ ερυθρά μήκη κύματος καθιστούν τα μικρόβια ακόρεστους κυνηγούς CO₂ και παραγωγούς πλαστικού. (liberal.gr)

 

Δείτε και τα σχετικά άρθρα

Οι κβαντικές κουκίδες ενισχύουν την απεικόνιση των ιστών