Так много цветов, но все же материал

Прогулка по миру нанотехнологий - часть 1; квантовые точки

В игре научно-популярного лото бинго нанотехнологии присутствуют почти всегда. Рядом с «квантом» обычно подразумевается «научная магия», но нанотехнология реальна и далека от магии. Область нанотехнологий невероятно широка и далеко идущая. Почти каждый аспект нашей жизни может и будет затронут этим, если это еще не было. Это означает, что есть много областей для изучения, каждый со своими проблемами и наградами. Хотя идея нанотехнологий была известна уже давно, только в последние годы мы действительно начинаем продвигаться вперед. В этой серии я хотел бы познакомить вас с некоторыми из моих любимых нанотехнологий, с некоторыми из моих работ над ними и с тем, где я вижу, как развиваются все области.

Квантовые точки селенида кадмия

Один из моих первых опытов с любым наноматериалом был с тем, что называется квантовой точкой. Прежде чем продолжить, я должен немного рассказать о крошечных вещах. На квантовом уровне атомов и электронов наши идеи о традиционной ньютоновской физике выходят за рамки. Такие вещи, как принцип неопределенности и дуальность волны / частицы, становятся определяющими правилами. Квантовые точки существуют на линии между этим миром квантовых странностей и миром, с которым мы более знакомы. Состоящие из нескольких сотен или нескольких тысяч атомов, эти частицы обладают очень странными свойствами. Частицы ведут себя так, как будто весь блок представляет собой 1 отдельный атом. Таким образом, вместо того, чтобы определять их свойства материалом, из которого они сделаны, их свойства определяются их размером и формой. Наиболее распространенный способ, которым это проявляется, - это цвет частиц, в частности цвет (или длина волны света), который частицы будут поглощать, а также цвет, который они излучают. Если вы освещаете большие квантовые точки, они излучают более длинную волну, которая выглядит более красной, тогда как если вы делаете то же самое с меньшей квантовой точкой, они излучают более короткую и более голубую длину волны. Используя этот метод, можно точно настроить частицы на особые свойства, просто изменив их размер. С квантовыми точками вам не нужно создавать дюжину различных молекул, чтобы сделать дюжину цветов, вы можете просто изменить размер.

Когда квантовые точки были впервые обнаружены, они были сделаны из полупроводников, таких как сульфид кадмия и селенид кадмия. Эти квантовые точки ярко светятся и их относительно легко синтезировать. У них просто есть один реальный недостаток в том, что они довольно токсичны. Однако в последние годы гораздо более безопасные альтернативы стали более распространенными. Первые квантовые точки, которые я когда-либо делал, были сделаны не из кадмия, а из обычного столового сахара. Я использовал технику, называемую гидротермальным синтезом, чтобы сделать их, и это причудливый способ сказать, что я разогрел разбавленный раствор сахара и держал все это под давлением. Мой сосуд под давлением, который позволял мне держать раствор горячим под давлением, был сделан из пары фитингов, которые я получил в местном хозяйственном магазине. Я бы не советовал повторять это, поскольку высокое давление может быть очень опасным, но удивительно, что у меня никогда не было катастрофических сбоев.

Самодельный трубопроводный реактор (слева) и промышленный реактор из нержавеющей стали / тефлона (справа)

Я пекла свою сладкую жидкость в течение 8 часов при температуре 180 градусов в кухонной духовке, а затем вытащила ее для охлаждения. Я взломал свой реактор и остался с этим темно-коричневым раствором. Сначала я скептически относился к тому, что что-то действительно произошло, но потом я включил ультрафиолетовый свет. Поверхность жидкости светилась красивым голубым. Я успешно сделал углеродные квантовые точки. Потребовались некоторые эксперименты, но мне в итоге удалось сделать желтые и зеленые точки, сначала используя сахар, а затем используя другие источники углерода, такие как желатин. Конечно, все это было тиражированием документов, а не новаторскими исследованиями, но это было доказательством того, что технология может работать за пределами дорогой лаборатории. Вам не нужна наночистая вода или дорогие реагенты, только источник углерода, тепло и давление.

Углеродные квантовые точки из простого столового сахара

Так почему все это важно? Настраиваемые свойства квантовых точек делают их идеальными для всего, что требует поглощения или излучения света. Нетрудно представить, на сколько технологий квантовые точки будут влиять. Ученые уже нашли свой путь во всем, от светодиодов до солнечных панелей, и делают оба способа более эффективными. Для светодиодов это означает, что вы можете настроить цвет именно на то, что вы хотите. Для солнечных панелей это означает, что вы можете сделать материал, который поглощает много разных длин волн света, смешивая квантовые точки разных размеров.

Лазер на красителе с использованием обычных флуоресцентных красителей

В основном это делается с помощью старых точек на основе кадмия, но в последнее время начинают конкурировать квантовые точки на основе углерода и графена. Другое применение было бы в лазерах на основе красителей. Лазеры на красителях хороши тем, что, переключая используемый краситель, вы получаете лазерный луч другого цвета. Однако, как правило, краски дорогие и бывают только в нескольких цветах, поэтому варианты ограничены. С квантовыми точками вы можете сделать лазер практически любого цвета, просто изменив размер ваших частиц. Наконец, мы попадаем в биологию, где потребность в цвете больше, чем когда-либо. Только после того, как были произведены первые синтетические красители, начал появляться скрытый мир клетки. Внезапно ученые увидели отдельные части и то, что они делают. Но опять же, биологи ограничены небольшим количеством соединений и цветов. Квантовые точки достаточно малы, чтобы их можно было использовать для многих обычных процедур окрашивания, и они могут быть сконструированы так, чтобы придерживаться того, что должен видеть биолог. Благодаря огромному разнообразию возможных цветов это означает, что биолог может окрасить множество разных вещей одновременно и увидеть, как они все взаимодействуют. Из всего этого ясно, что квантовые точки будут играть важную роль в будущих технологиях, и мы только начинаем царапать поверхность. Некоторые группы даже рассматривают возможность использовать их для создания квантового компьютера, но это обсуждение в другой раз. Квантовые точки всегда будут иметь место в моем наборе наноинженерии. Есть так много захватывающих возможностей, и я рад исследовать их все.

Моя коллекция красочных флуоресцентных наночастиц