Kvantne tačke: ipak je sve u veličini!

Slika koju vidite kao ilustraciju ovog članka su kvantne tačke. Zapravo ne kvantne tačke, nego rastvori infuzirani kvantnim tačkama. Od veličine tih čestica ovisi boja bočica kada se izlože ultravioletnom svjetlu.

Nobelova nagrada za hemiju 2023. dodijeljena je upravo za razvoj kvantnih tačaka, koje danas imaju veliku praktičnu primjenu, recimo u QLED ekranima. Da, ovo Q u nazivu QLED se odnosi na kvantne tačke (eng. quantum dots, QDs). Pojam “kvantna tačka” skovao je Daniel S. Chemla dok je radio u Bell Labsu 1986.

Kada su kvantne tačke ozračene svjetlom, elektroni unutar njih dobivaju energiju, odskoče na viši energetski nivo ostavljajući iza sebe “rupu”  prazan prostor, a na kraju oslobađajući tu energiju kao fluorescentno svjetlo. Kada elektron napusti prostor koji inače naseljava u atomu ne zaboravimo, elektroni se kreću velikim brzinama u orbitama čineći elektronski oblak, on formira sa tom “rupom” jednu naročitu vezu. Uporedimo to sa vezom koju imate sa vašim bivšim/bivšom – više niste zajedno, ali ste neraskidivo povezani nekim iskustvom koje vas je oboje promijenilo. To je eksciton  – vezano stanje elektrona i elektronske šupljine koji se međusobno privlače elektrostatskom Coulombovom silom.

Kada se elektron vrati u svoje prvobitno stanje, odnosno “rekombinira”, on emituje energiju u obliku svjetla, odnosno fotona određene energije.

Energija emitiranog fotona može se opisati kao zbir energije jaza između najviše zauzete razine i najniže nezauzete energetske razine, energije zadržavanja šupljine i pobuđenog elektrona i vezane energije ekscitona (par elektrona – u šupljini koja ostane nakon što se on ekscitira).

U kvantnim tačkama dolazi do stiskanja (konfinacije) elektrona, što dovodi do kvantnih fenomena.

Što su tačkice manje, to više komprimiraju valnu funkciju elektrona, povećavajući njegovu energiju tako da tačka izgleda plava. Veće tačke izgledaju crveno.

 

Budući da energija u ovom slučaju ovisi o veličini kvantne tačke, i početak apsorpcije i emisija fluorescencije mogu se podesiti promjenom veličine kvantne točke tokom njene sinteze. Mijenjajući veličinu kvantnih tačaka možemo proizvesti sve boje, kao što vidimo iz ove slike s wikipedia:

 

Kvantne tačke obično se izrađuju od poluprovodničkih materijala, poput grafena, selenita ili metalnih sulfida. Postoje koloidne metode za proizvodnju mnogo različitih poluprovodnika koji imaju svojstva kvantnih tačaka u koloidnom rastvoru. Tipične tačke izrađene su od spojeva kao što su olovov sulfid, olovov selenid, kadmijev selenid, kadmijev sulfid, kadmijev telurid, indijev arsenid i indijev fosfid.  Postignut je nedavni napredak koji omogućuje sintezu koloidnih perovskitnih kvantnih tačaka. Prilagodbom materijala ili veličine kvantnih tačaka, kemičari mogu promijeniti njihova svojstva za različite namjene.

Kvantne tačke cijenjen su materijal za ekrane jer emituju svjetlost u vrlo specifičnim Gaussovim distribucijama. To može rezultirati prikazom s vidljivo preciznijim bojama. U prevodu, bolje kupujte QLED nego “samo” LED TV.

Kvantne tačke bi također mogle povećati efikasnost i smanjiti cijenu današnjih tipičnih silicijskih fotonaponskih ćelija.

Korištenje kvantnih tačaka postalo je važno kod  visokoosjetljivog cell imaging. Ove strukture su  korištene za in vitro snimanje obilježenih ćelija. Očekuje se da će sposobnost prikazivanja migracije jedne ćelije u stvarnom vremenu biti važna za nekoliko istraživačkih područja kao što su embriogeneza, metastaze raka, terapija matičnim stanicama i imunologija limfocita.