Квантовые точки.

«Квантовые точки — это искусственные атомы,

свойствами которых можно управлять.»

Ж. И. Алфёров, лауреат Нобелевской премии

по физике.

   Квантовые точки были открыты в 1980 х годах Алексеем Екимовым в стеклянной матрице. Это открытие не получило большой огласки и было оценено сполна лишь в 2006 году Американским оптическим обществом, вручившим Екимову от себя премию.  Собственно название- "квантовые точки" появилось в  1988 году (1).

   Квантовые точки представляют собой частицы, обычно размером 1–10 нм, объёмного экситона. За их пределами потенциальная энергия электрона выше, чем внутри, то есть движение электрона ограничено во всех трех измерениях. Всего существует два основных метода создания квантовых точек:

   1) синтез в коллоиде, при котором вещества смешиваются в растворе(рис.1).

   2) эпитаксия — метод выращивания кристаллов на поверхности подложки.                         На практике лучше себя показал второй способ, так как при помощи коллоидного синтеза можно получать нанокристаллы, которые растворимы в органических растворителях.

Рис.1

Применение  на практике.

   Пока спектр прикладного использования квантовых точек весьма ограничен. Большинство применений происходит в рамках лабораторного эксперимента. И все же на их основе уже начали выпускать светодиоды, медицинские красители, невидимые чернила для защиты ценных бумаг.  Сейчас это успешный коммерческий продукт, пожалуй только при применении в качестве маркеров в медицине. Правда токсичный кадмий, что довольно очевидно, остается в организме, накапливаясь в печени и почках. Но при однократных исследованиях его доза меньше пороговых значений. Также квантовые точки преодолевают защитный плацентарный барьер и беременным с ними работать не рекомендуется.

  Компания Sony объявила о создании телевизора на базе квантовых точек. Обещают, что новая модель под маркой «Трилюминос» будет обладать более насыщенной цветовой палитрой, чем традиционные телевизоры на жидких кристаллах.

   Квантовые точки определят цвет, который излучает экран, его эффективность и в конечном счете вес всего устройства. В отличие от обычных LCD цвет не будет никак зависеть от угла, под которым вы смотрите. В результате цветопередача станет более точной  особенно в 3D формате.

   «ОАО «РОСНАНО» запустило первую очередь нового высокотехнологичного производства коллоидных квантовых точек проектной компании ООО «НТИЦ „Нанотех-Дубна”»-передает корреспондент РИА Новости с церемонии запуска.Бюджет проекта составляет 71,5 миллиона рублей, вклад РОСНАНО — 35 миллионов рублей. 

 Применение военными.

   Особый интерес представляют квантовые точки, получаемые методом коллоидного синтеза на основе халькогенидов кадмия, которые в зависимости от своего размера флуоресцируют разными цветами(рис.2). Интерес заключается в том, что они поглощают энергию в широком диапазоне спектра, а испускают её в узком спектре световых волн.

    Зачем такие вещи нужны военным — понятно.

На сегодня Пентагону уже предлагается нано-порошок, который при подсветке УФ лазером (незаметным для технологически отсталых противников США) испускает инфракрасное излучение, фиксируемое камерами других дронов на двухкилометровом расстоянии. Технология этой "краски" опять-таки основана на применении в ней квантовых точек — нанокристаллов полупроводника шириной в 50 атомов каждый. Благодаря таким размерам точки могут излучать только в строго определённом диапазоне, что исключает демаскировку нанесенной окраски в видимой части спектра.

  Аэрозоль, которым наносятся квантовые точки, прилипает к металлу, одежде и стеклу. Нанесением краски может заниматься небольшой аппарат типа RQ-11 Raven ("Ворон") с размахом крыльев менее 1,5 м, работающий практически бесшумно, поскольку двигатель у него электрический. Запускать такой аппарат можно прямо с рук, то есть он исключительно удобен в боевых условиях.

  Особенно успешно применения квантовых точек в сочетании с графеном, другим веществом позволяющим использовать квантовые эффекты. Чувствительность камер ночного видения вырастает не на порядок, а на девять порядков.

    Кроме того квантовые точки уже используются военными при поиске самодельных мин.

Рис.2

Применение в онкологии.

  В развитых странах добились немалых успехов в борьбе с злокачественными опухолями. Срок жизни больных достигает 10-12 лет после. У нас 3-4 года.  Особенно велик разрыв в случае с меланомой. Однако успех достигнут немалой ценой.  И в прямом , денежном смысле .  Мечтой онкологов является распознание опухоли на стадии Т0 при диспансерном обследовании в рядовой поликлинике имеющей магнитно резонансные томографы. Сравнительная доступность томографии   уже достигнута в Японии и США. Но стадия Т0  потому и является нулевой что обычными методами даже МРТ не видит буквально несколько раковых клеток. Именно квантовые точки дают надежду на воплощение мечты.

Известно, что ковалентно связанная система квантовых точек и нанокристаллического оксида железа может быть использована в томографии для диагностики опухолей, так как сопряженные с наночастицами антитела распознают опухоли. Инкапсулированные наночастицы как флуоресцируют, так и показывают высокий сигнал при проведении МРТ.

   «Наш метод является достаточно общим», - говорит Веллер в интервью nanotechweb.org, - «Он позволяет включать в капсулы самые различные наночастицы и лекарства. И что самое главное, он также позволяет связывать их с огромным количеством различных биологически-активных молекул».(2)

Планы на будущее.

   Вообще говоря о будущем квантовых точек нельзя не сказать о биологии.

  В отличие от настоящих атомов, частотами люминесцентных переходов квантовых точек можно легко управлять, просто меняя размеры кристаллов. Квантовые точки являются основными кандидатами для представления кубитов в квантовых вычислениях. Но как всякую квантомеханическую связь их трудно выстраивать.

Для решения данной проблемы пытаются использовать шаперонины- большие белковые комплексы с внутренней полостью. Поскольку они способны формироваться в ленты и «двухмерные кристаллы» с высокой степенью упорядоченности их можно использовать как матрицы для массива квантовых точек.

Используют и мозаичные вирусы растений, которые, имея размер в 30 нм , соединялись с квантовыми точками из селенида кадмия и сульфида цинка.

Полученные гибриды ученые размещали внутри полимерной матрицы, к которой затем присоединялись электроды, с помощью которых проводилось тестирование изготовленных структур. Исследователи обнаружили, что каждая гибридная единица может работать как энергонезависимое запоминающее устройство, при этом ее проводимость может «переключаться» между высоким и низким уровнями, что соответствует логическим «нулю» и «единице». Теоретически данная технология позволяет создавать запоминающие устройства с высокой плотностью записи данных, т.к. на площади всего несколько квадратных сантиметров можно разместить миллионы подобных гибридных структур.

  Кроме того водорастворимые квантовые точки научились получать… при помощи дождевых червей.

Биоинженерия позволяет «автоматизировать» процесс работы с квантовыми точками, доверяя их перемещение биомеханическим система

Вот только малая часть вестей с передового края науки на котором работает Ринат Сибатов. 

Всех с Рождеством.

1.         M. A. Reed, J. N. Randall, R. J. Aggarwal, R. J. Matyi, T. M. Moore, A. E. Wetsel, Phys Rev Lett, 60 535–537, 1988.

2.Cinteza, L.O. Multifunctional nanosystems for cancer theragnostics // SPIE Newsroom. - 20 April 2011. DOI: 10.1117/2.1201103.003432