Så mange farver, men alligevel det samme materiale

En vellykket gennem nanoteknologiens verden - Del 1; kvanteprikker

I et spil sci-fi-buzzword-bingo er nanoteknologi næsten altid til stede. Ved siden af ​​“kvante” betyder det normalt ”sci-fi magi”, men nanoteknologi er reel og langt fra magi. Området nanoteknologi er utroligt bredt og vidtgående. Næsten ethvert aspekt af vores liv kan og vil blive påvirket af det, hvis det ikke allerede har været det. Dette betyder, at der er masser af områder at udforske, hver med sine egne udfordringer og fordele. Mens ideen om nanoteknologi har eksisteret i lang tid, er det først i de seneste år, at vi virkelig begynder at gøre fremskridt. I denne serie vil jeg gerne have dig med på tur i nogle af mine yndlings nanoteknologier, nogle af mit arbejde med dem, og hvor jeg ser hvert felt gå.

Kadmiumselenidkvantepunkter

En af mine første oplevelser med noget nanomateriale var med noget, der kaldes en kvanteprik. Før jeg fortsætter, skulle jeg forklare lidt om små ting. På kvantniveauet for atomer og elektroner går vores ideer om traditionel Newtonsk fysik ud af vinduet. Ting som usikkerhedsprincippet og bølgen / partikel dualiteten af ​​stof bliver de styrende regler. Kvantepunkter findes på linjen mellem denne verden af ​​kvanteunderlighed og den verden, vi er mere fortrolige med. Disse partikler består af kun et par hundrede til et par tusinde atomer og har nogle meget underlige egenskaber. Partiklerne opfører sig som om hele enheden var 1 enkelt atom. Så snarere end deres egenskaber defineres af det materiale, de er lavet af, bestemmes deres egenskaber af deres størrelse og form. Den mest almindelige måde dette manifesterer sig i farven på partiklerne, specifikt farven (eller bølgelængden af ​​lys), som partiklerne vil absorbere og også den farve, de udsender. Hvis du skinner et lys over større kvantepunkter, udsender de en længere bølgelængde, der ser mere rød ud, mens hvis du gør det samme med et mindre kvanteprik, udsender de en bølgelængde, der er kortere og ser mere blå. Ved hjælp af denne metode kan man præcist indstille partiklerne til at have specifikke egenskaber ved blot at ændre deres størrelse. Med kvanteprikker behøver du ikke at konstruere et dusin forskellige molekyler for at fremstille et dusin farver, du kan blot ændre størrelsen.

Da kvanteprikker først blev opdaget, blev de lavet af halvledere som cadmiumsulfid og cadmiumselenid. Disse kvantepunkter lyser lyst og er relativt lette at syntetisere. De har bare en reel ulempe ved, at de er ret giftige. I de senere år er imidlertid meget mere sikre alternativer blevet mere almindelige. De første kvantepunkter, jeg nogensinde lavede, var ikke lavet af cadmium, men i stedet for fra almindeligt bordsukker. Jeg brugte en teknik kaldet hydrotermisk syntese til at fremstille dem, hvilket er en fin måde at sige, at jeg opvarmede en fortyndet sukkeropløsning, og jeg holdt det hele under pres. Mit trykbeholder, der lod mig holde opløsningen varm under tryk, blev lavet af et par rørfittings, jeg fik fra den lokale hardware-butik. Nu vil jeg ikke foreslå at gentage dette, da højt tryk kan være meget farligt, men overraskende nok har jeg aldrig haft nogen katastrofale fejl.

Hjemmelavet rørmonteringsreaktor (venstre) vs kommerciel rustfrit stål / teflonreaktor (højre)

Jeg bager min sukkerholdige væske i 8 timer ved 180 grader i min køkkenovn og tog den derefter ud for at køle af. Jeg knækkede min reaktor op og sad med denne mørkebrune opløsning. Først var jeg skeptisk over, at der virkelig var sket noget, men så tændte jeg UV-lyset. Væskens overflade glødede en smuk lyseblå. Jeg havde med succes lavet kulstofbaserede kvantepunkter. Det tog noget eksperimentering, men jeg lykkedes til sidst at lave gule og grønne prikker, først ved hjælp af sukker, men derefter ved hjælp af andre kulstofkilder som gelatin. Naturligvis var alt dette replikerende papirer og ikke banebrydende forskning, men det var et bevis på, at teknologien kan fungere uden for et dyre laboratorium. Du har ikke brug for nanopurvand eller dyre reagenser, bare en kulstofkilde, varme og tryk.

Carbon kvante prikker fremstillet af simpelt bordsukker

Så hvorfor er alt dette vigtigt? Kvantepunktsindstillelige egenskaber gør dem ideelle til alt, hvad der kræver absorptions- eller emissionslys. Det er ikke svært at forestille sig, hvor mange teknologier kvantepunkter vil have indflydelse på. Forskere er allerede ved at finde vej ind i alt fra LED til solcellepaneler og gør begge mere effektive. For lysdioder betyder det, at du kan indstille farven nøjagtigt til det, du ønsker. For solcellepaneler betyder det, at du kan fremstille et materiale, der optager masser af forskellige bølgelængder af lys ved at blande forskellige størrelser af kvanteprik.

En farvestof laser ved hjælp af normale fluorescerende farvestoffer

Oftest sker dette med de gamle cadmiumbaserede prikker, men for nylig begynder kulstof- og grafenbaserede kvantepunkter at konkurrere. En anden anvendelse ville være i farvestofbaserede lasere. Farvestoflasere er fremragende, fordi du skifter ud hvilken farvestof du bruger, du får en laserstråle i anden farve. Normalt er farvestoffer imidlertid dyre og kommer kun i nogle få farver, så indstillingerne er begrænsede. Med kvanteprikker kan du lave en laser i næsten enhver farve ved blot at ændre størrelsen på dine partikler. Endelig kommer vi til biologi, hvor behovet for farve er større end nogensinde. Først efter at de første syntetiske farvestoffer blev produceret, begyndte cellens skjulte verden at komme i syne. Pludselig kunne forskere se de enkelte stykker og hvad de gør. Men igen er biologer begrænset til et lille antal forbindelser og farver. Kvanteprikker er små nok til at de kan bruges til mange af de sædvanlige farvningsprocedurer, og de kan konstrueres til at holde sig til hvad biologen har brug for at se. Med den enorme variation af mulige farver betyder det, at en biolog kan plette mange forskellige ting på én gang og se, hvordan de alle interagerer. Af alt dette er det tydeligt, at kvanteprikker vil spille en vigtig rolle i fremtidige teknologier, og vi er kun lige begyndt at ridse overfladen. Nogle grupper overvejer endda at prøve at bruge dem til at opbygge en kvantecomputer, men det er en diskussion for en anden gang. Kvanteprikker vil altid have en plads i min nano-engineering værktøjssæt. Der er så mange spændende muligheder, og jeg er glade for at udforske dem alle.

Min samling af farverige blomstrende nanopartikler