"ქიმიის უწყებანი" ტომი:6, ნომერი:1, 50-52 გვ.

ნანოტექნოლოგიები: რა არის და როგორ მუშაობს კვანტური წერტილები?

მიხეილ მიხაილოვი

თბილისის თავისუფალი უნივერსიტეტი, სტუდენტი.

რეზიუმე: 2023 წელს ნობელის პრემია ქიმიაში სამ მეცნიერს, ალექსეი ეკიმოვს, ლუის ბრუსსა და მაუნგი ბავენდის, გადაეცა კვანტური წერტილების აღმოჩენისა და განვითარებისთვის. კვანტური წერტილები არის ნანონაწილაკები, ანუ ჩვენთვის ისინი შეუიარაღებელი თვალით უხილავები არიან. მათი მცირე ზომის გამო ადამიანმა შეიძლება ჩათვალოს, რომ მათ მთლიანი მასალებისგან საკმარისად განსხვავებული თვისებები არ აქვთ იმისთვის, რომ ისინი გამოვიყენოთ. რეალობაში ზუსტად მათი მცირე ზომის გამო კვანტურ წერტილებს აქვთ კვანტური მექანიკის თვისებები, რაც მათ სრულიად უნიკალურ თვისებები ანიჭებს. კვანტური წერტილების უნიკალური თვისებების გამო ისინი შეიძლება გამოვიყენოთ მრავალ დარგში, როგორებიც არის მედიცინა, განახლებადი ენერგია, LED განათებები და ბევრი სხვა. ამ ყველაფრიდან გამომდინარე არ არის გასაკვირი, რომ კვანტური წერტილების აღმოჩენის და ეფექტური სინთეზის გამო ნობელის პრემია გაიცა.

საკვანძო სიტყვები: კვანტური წერტილები, ნანოტექნოლოგიები, ნანონაწილაკები, მედიცინა, კვანტური მექანიკა.

თანამედროვე ქიმიის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ქვედარგი არის ნანონა­წილაკების შესწავლა და მათი გამოყენება. ნანო­ნაწილაკები უაღრესად მნიშვნელოვანი აღმოჩენა გახდა მასალების ტექნოლო­გიის­თვის, რადგან ამ ნაწილაკებს აქვთ სრულიად განსხვა­ვებული თვისებები, ვიდრე ჩვეუ­ლებრივ მასალებს. კვანტური წერტილები ნანო­ნაწილაკები არიან, უფრო კონკრეტულად, ისინი არიან ნახევარგამტარი ნანო­კრის­ტა­ლები. კვანტური წერტილების და ზოგადად ნანონაწილაკების განსხვავებული თვისებების გამომწვევი მთავარი ფაქტორი მათი ზომა არის. ეს ნაწილაკები არ აღემატებიან 100 ნანომეტრს (ერთი ნანომეტრი ერთი-მემი­ლია­რ­დედი მეტრია). თავისი ზომის გამო ეს ნაწილაკები არ არიან არც ატომური მასშტაბის და არც მთლიანი ნივთიერების მასშტაბის. ნანოკრისტალებისთვის უნიკალური მახასია­თე­ბელი არის მათი უნარი შეიცვალონ თვისებები მათი ზომის მიხედვით. ამის მარ­ტივი მაგალითი არის შეფერილობა. დავუშვათ, მოვინდომეთ ორი ერთნაირი ნივთის ორ სხვადასხვა ფერად შეღება. თუ გვინდა სტანდარტული მეთოდით შეღება, საჭიროა გამოვიყენოთ განსხვავებული მოლეკულები და ამ განსხვავებული მოლეკულების განს­ხვა­ვე­ბუ­ლი განლაგებების, იმისთვის, რომ მივიღოთ ჩვენთვის სასურველი ფერი. კვანტური წერ­ტი­ლები ამ პროცესს ბევრად აადვილებს. იმი­სა­თვის, რომ მათ ფერი შევუცვალოთ, საკმარისია ამ ნანოკრისტალის ზომა გავზარ­დოთ.  რაც უფრო დიდია ნაწილაკი, მით უფრო ახლოს არის ის წითელთან ფერების სპექტრზე [1].

ნახ 1.  კვანტური წერტილების ფერის ცვლილება ზომის მიხედვით [1]

როგორც სურათზე ჩანს [2], კვანტური წერტილები სიბნელეში ფლუორესცენტურად ანათებენ. ეს ეფექტი გამოწვეულია მათზე ულტრაიისფერი სინათლის მინათებით. ეს სინათლე კვანტურ წერტილში არსებულ ელექტრონს აღაგზნებს მაღალი ენერგიის მდგომარეობამდე. ნახევარგამტარი კვანტური წერტილებისთვის ეს ნიშნავს ელექტრონის ნაკლები ენერგიის მქონე შრიდან უფრო მაღალი ენერგიის მქონე შრეზე, რომელზეც ძირითადად ელექტრონები არ არიან, გადასვლას. აღგზნებულ ელექტრონს შეუძლია საწყის შრეზე დაბრუნება და მისი ენერგიის სინათლის სახით გამოსხივება. ამ ეფექტს ფოტოლუმინესცენცია ეწოდება.

კვანტური წერტილების თეორიის ძირითადი კონცეფცია ემყარება “ნაწილაკი ყუთში”-ის პრობლემას [1]. „ნაწილაკი ყუთში“-ის თეორია გვეუბნება, რომ როდესაც კვანტური მექანიკური ნაწილაკი, მაგალითად ელექ­ტ­რონი, მოთავსებულია მისი დე ბროილის ტალღის სიგრძესთან შედარებადი L სიგრძის ყუთში, მაშინ ტალღის ფუნქციის დაშვებული საკუთრივი მნიშვნელობების ენერგიები მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული ამ L-ზე, კონკრეტულად, ეს ენერგიები ამ სიგრძის კვადრატის უკუპროპორციულია, ხოლო სინათლის ტალღის სიგრძე ამ სიგრძის პროპორციულია. ეს იმას ნიშნავს, რომ უფრო გრძელ ყუთს შეუძლია უფრო გრძელი ტალღის სიგრძის მქონე სინათლის სხივის შთანთქმა. ნანოკრისტალებისთვის ამ „ყუთის“ სიგრძე თვითონ კრისტალის სიგრძე არის. ზუსტად ეს ფაქტი ხსნის ნანოკრისტალების ფერის ცვლილებას მათი ზომის ცვლილებასთან ერთად. წითელ ფერს აქვს დიდი ზომის ტალღის სიგრძე და ამიტომ დიდი ზომის კვანტური წერტილები წითელი არიან. კვანტურ წერტილებს ხშირად ხელოვნურ ატომებსაც კი უწოდებენ [2], რადგან კვანტური წერტილის შთანთქმის და ემისიის მახასიათებლები შეესაბამება გადასვლებს ყუთში დისკრეტულ კვანტურ მექანიკურად დაშვებულ ენერგე­ტი­კულ დონეებს შორის, რომლებიც ატომურ სპექტრებს ემსგავსება. კვანტური წერტილების ასეთი სახელწოდება ხაზს უსვამს მათ შეკრულ და დისკრეტულ ელექტრონულ მდგომა­რეობებს, როგორიცაა ბუნებრივი ატომები.

 

კვანტური წერტილების გამოყენება ბიოლო­გიასა და მედიცინაში

მას შემდეგ რაც გავიგეთ კვანტური წერ­ტი­ლების განმასხვავებელი თვისებები, საინტე­რესოა ვიკითხოთ, რაში შეგვიძლია გამოვი­ყენოთ ეს ტექნოლოგიები? კვანტური წერ­ტილე­ბისთვის ბევრი გამოყენება არსებობს, რო­მელთა შორის ერთ-ერთი ყველაზე პერს­პექ­­ტიული მათი სამედიცინო დანიშნუ­ლე­ბე­ბით გამოყენება არის.

როგორც უკვე ვახსენე, კვანტური წერტილების გამომრჩეველი თვისება მათი ფერების ფლუორესცენტურად გამოსხივების უნარია. განსხვავებით ორგანული საღებრებისა და ფლუორესცენტური ცილებისგან, ეს ნანო­კრის­ტა­ლები უფრო კაშკაშა და უფრო სტა­ბი­ლურები არიან ფოტოგათეთრების მიმართ, ასევე მათი ფერების ცვლა შესაძლებელია მხოლოდ ერთი სინათლის წყაროს გამო­ყენებით. მედიცინის ბოლო მიღწევებმა აჩვენეს, რომ ნახევარგამტარ ნანონაწილაკებს აქვთ უნარი კოვალენტურად დაუკავშირდნენ ბიოამომცნობ მოლეკულებს, როგორებიც არის პეპტიდები, ანტისხეულები ან მცირე მო­ლე­კულური ლიგანდები იმისთვის, რომ ისინი ბიოლოგიურ ეტიკეტებად გამოვიყენოთ [3].

ეს ეტიკეტები შეგვიძლია ვიხმაროთ სხეულში მოლეკულების რეალურ დროში დაკვირვებით. ასევე აუცილებელია ვახსენოთ, კვანტური წერტილები დიდი ხნით არიან მიბმული მოლეკულებზე, რაც იძლევა უფლებას გრძელვადიანი დაკვირვების ჩასატარებლად. მკვლევრები აკვირდებოდნენ კვანტურ წერტილებს თაგვის ლიმფურ კვანძებში 4 თვის მანძილზე [4]. კვანტური წერტილების უჯრე­დებ­თან დაკავშირების უნარი უამრავ შესაძ­ლებ­ლობას იძლევა და მათ შორის გამორ­ჩეუ­ლად პერსპექტიული არის სიმსივ­ნუ­რი უჯრე­დების დამიზნება. არსებობს სიმსივ­ნური უჯრე­დების დამიზნების ორი გზა: აქტიური დამიზნება და პასიური დამიზნება. აქტიური დამიზნების დროს კვანტური წერტილები არიან შეყვანილი სიმსივნის სპეციფიკურ ადგილებში იმისთვის, რომ ისინი სიმსივნის უჯრედებს მიუერთდნენ. პასიური დამიზნების გზა კი იყენებს სიმსივნის უჯრედების გაძლიერებულ შეღწევადობას და შეკავებას კვანტური წერტილების მისაწო­დებ­ლად. კვანტურ წერტილებს ასევე შეუძლიათ შეიძინონ ანტიბაქტერიული თვისებები და ეფექტურად დახოცონ ბაქტერიები დოზაზე დამოკიდებული წესით -  ნანონაწილაკების მსგავსად [5]. ერთ-ერთი მექანიზმი, რომ­ლითაც კვანტურ წერტილებს შეუძლიათ ბაქტერიების გაუვნებელყოფა არის უჯრე­დე­ბ­ში ანტიოქსიდანტური ფუნქციების შეფერხება.

 

კვანტური წერტილების ეკრანები

კვანტური წერტილების უნიკალური თვი­სე­ბების ეკრანების და მათ მიერ ფერების წარმოჩენისთვის შეგვიძლია გამოვიყენოთ. კვანტურ წერტილები სინათლეს გამოსცემენ ძალიან კონკრეტული გაუსის განაწილებებით [3]. ეს იმას ნიშნავს, რომ კვანტური წერ­ტილების გამოყენებით ეკრანებს შეუძლიათ მათი გამოსახულებების უფრო ზუსტი ფერებით გადმოცემა. ჩვეულებრივი ეკრანები იყენებენ LCD განათებას, რომელიც სინათლეს ასხივებს ფლუორესცენტული ნათურებით ან უბრალო თეთრი LED განათებებით, რომლებ­საც აქვთ ფერის ფილტრი იმისთვის, რომ აჩვენონ მწვანე, წითელი და ლურჯი პიქ­სე­ლე­ბი. კვანტური წერტილების ეკრანები იყენებენ ლურჯი გამოსხივების LED განათებას თეთრი LED განათების მაგივრად. ამის გამო გამოს­ხი­ვებული ცვალებადი ნაწილი გარდაიქმნება ნამდვილ მწვანე და წითელ სინათლის სხი­ვე­ბად შესაბამისი ფერის კვანტური წერტილების, რომლებიც მოთავსებულია ლურჯი LED განათების წინ, მეშვეობით [4]. ასეთი LED-ს გამოყენებით LCD ეკრანებში მოგვცემს უფრო კარგ ფერების შერწყმას უფრო ნაკლებ ფასად, ვიდრე RGB LED ეკრანები რომლებიც 3 LED-ს იყენებს.

კიდევ ერთი მეთოდი, რომელიც კვანტური წერ­ტი­ლების ეკრანს ქმნის არის ელექტრო­ლუ­მი­ნის­ცენტური ან ელექტროემისიური მეთოდი. ეს მეთოდი მოიაზრებს ეკრანის თითოეულ პიქ­სელ­ზე კვანტური წერტილის მიბმას. ამ კვან­ტუ­რი წერტილების მართვა ხდება ელექ­ტრული ვე­ლის მეშვეობით. იმის გამო, რომ ამ შემ­თხვე­ვაში სინათლე უბრალოდ თავის თავს ასხივებს, მიღწევადი ფერები შეზღუდულია [6]. ­

ადვილი დასანახია, რომ კვანტური წერ­ტი­ლე­ბის აღმოჩენა და მათი ეფექტური სინთეზი ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მიღწევაა თანამედროვე მეცნიერებაში. სტა­ტის­ტიკის თანახმად 2021 წელს კვანტური წერტილების საბაზრო ფასი 3.4 მილიარდი ამერიკული დოლარი იყო და ვარაუდობენ, რომ 2030 წლისთვის ეს ღირებულება 18.1 მილიარდ დოლარამდე გაიზრდება. ნანოტექნოლოგიებს ერთ-ერთი ყველაზე სწრაფად ზრდადი ბაზარი  აქვს და ეს არ არის რთულად დასაჯერებელი, რადგან ამ ტექნოლოგიებს უამრავი გამოყენება აქვთ მეცნიერებაშიც, მაგალითად მედიცინაში და მზის პანელებში და კომერციულადაც, მაგალითად ტელევიზორის ეკრანებში. ეს ყველაფერი ნამდვილად დაგვარწმუნებს, რომ კვან­ტური წერტილები მომავლის ტექნოლოგიაა.

ნახ. 4. განსხვავება ჩვეულებრივ LED ტელევიზორსა და კვანტური წერტილების ეკრანიან ტელევიზორს შორის [4]

 

ლიტერატურა:

1. The royal Swedish academy of sciences: Quantum dots – Seeds of nanoscience. Oct 4. 2023. https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/advanced-chemistryprize2023.pdf (უკანასკნელად გადამოწმებულია 23-11-2023)
2. Silbey, Robert J.; Alberty, Robert A.; Bawendi, Moungi G. (2005). Physical Chemistry(4th ed.). John Wiley & Sons. p. 835.
3. Robert E. Bailey, Andrew M. Smith, Shuming Nie, Quantum dots in biology and medicine, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. V .25, Issue 1, 2004, Pages 1-12,
4. Ballou, B.; Lagerholm, B. C.; Ernst, L. A.; Bruchez, M. P.; Waggoner, A. S. (2004). "Noninvasive Imaging of Quantum Dots in Mice".
5. Lu, Zhisong; Li, Chang Ming; Bao, Haifeng; Qiao, Yan; Toh, Yinghui; Yang, Xu (20 May 2008). "Mechanism of antimicrobial activity of CdTe quantum dots".
6. "A Guide to the Evolution of Quantum Dot Displays" http://www.bohr-tech.com/page95?article_id=25 (უკანასკნელად გადამოწმებულია 23-11-2023)

 

 

გამოქვეყნებულია: 23-11-2023