Το «απόλυτο φως» των κβαντοκουκκίδων

Ενας κρυστάλλινος ημιαγωγός με διάμετρο μόλις δύο νανομέτρων ανοίγει τον δρόμο για πρωτόγνωρο φωτισμό, αποδοτικότερα φωτοβολταϊκά, κβαντικούς υπολογιστές και τηλεοράσεις με ολοζώντανα χρώματα!

ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ:  28/06/2015 05:45

H καλύτερη απόδοση χρώματος υπάρχει πλέον στις τηλεοράσεις κβαντοκουκκίδων, όπως το μοντέλο UE65JS9500 της Samsung

 

Από τα δεκάδες – ως και εκατοντάδες – νέα νανοϋλικά που αναπτύσσονται πλέον ετησίως στα εργαστήρια των επιστημόνων, ελάχιστα είναι εκείνα που «γίνονται αντιληπτά» από τον απλό καταναλωτή. Ο λόγος είναι βεβαίως το μέγεθός τους (λίγα δισεκατομμυριοστά του μέτρου) που τα κάνει αόρατα. Κάπως έτσι, ήταν μάλλον αναμενόμενο να μην ασχοληθείτε ποτέ με τις κβαντικές κουκκίδες. Αλλά τα δελτία Τύπου για τα πιο πρόσφατα μοντέλα τηλεοράσεων μιλούν μετά μανίας για την κβαντική τεχνολογία που κάνει την εικόνα σε αυτές τις οθόνες λαμπρότερη από ποτέ. Οσο για τους ίδιους τους επιστήμονες που πειραματίζονται με τη συγκεκριμένη τεχνολογία... αυτοί παραμιλούν από τη χαρά τους. Το όλο μυστικό κρύβεται στην περίεργη ιδιότητα κάποιων κρυστάλλων να εκπέμπουν διαφορετικό φως όταν διεγείρονται, ανάλογα με το μέγεθος του νανοκρυστάλλου. Το πώς συμβαίνει αυτό θα το διαβάσετε στη συνέχεια του άρθρου μας. Αλλά το τι σημαίνει θα το διαπιστώσετε, ούτως ή άλλως, από τις πάμπολλες εφαρμογές τους που θα δείτε να ξεφυτρώνουν γύρω μας: από τις οθόνες των υπολογιστών και των φορητών συσκευών μας ως τις τηλεοράσεις μας, από τα φώτα των φακών ως εκείνα των δρόμων, και από τα υπεραποδοτικά φωτοβολταϊκά ως τους έξυπνους φακούς επαφής και τα βιονικά εμφυτεύματα που θα βελτιώνουν και θα επιμηκύνουν τη ζωή του σώματός μας. Κυρίες και κύριοι, υποδεχτείτε το φωτοτρανζίστορ του 21ου αιώνα που «θα μας αλλάξει τα φώτα»!



Δύο δεκαετίες πριν, ρώτησα έναν 25χρονο Βορειοηπειρώτη τι τον εντυπωσίασε περισσότερο όταν πρωτοήρθε στην Ελλάδα. Μου απάντησε χωρίς δεύτερη σκέψη: «Η φωτεινή πινακίδα του βενζινάδικου στα σύνορα!». Βλέποντας την έκπληξή μου, μου εξήγησε: «Για εσάς μπορεί να είναι κάτι το απλό, αλλά για όποιον έχει μεγαλώσει σε χώρα όπου κυριαρχούσε το γκρι το να βλέπει χρώματα τόσο εκτυφλωτικά είναι πραγματικό θαύμα».

Την ίδια εκείνη χρονιά, το 1994, η εργασία των Ιαπώνων Shuji Nakamura στη Nichia Corporation και Isamu Akasaki και Hiroshi Amano στο Πανεπιστήμιο της Nagoya οδήγησε στην κατασκευή των πρώτων κυανών φωτοδιόδων (μπλε LED φωτισμού) υψηλής λαμπρότητας, που τώρα φωτίζουν σχεδόν τα πάντα. Το 2014 οι τρεις αυτοί ερευνητές βραβεύθηκαν με το Νομπέλ Φυσικής, για την εφεύρεσή τους που μας «άλλαξε τα φώτα» αλλά και μας έφερε τις επίπεδες οθόνες στους υπολογιστές, στην τηλεόραση και στις φορητές συσκευές.

Τα μπλε LED φωτισμού τα γνωρίζουμε τώρα άπαντες από τους φακούς και τους λαμπτήρες LED. Ωστόσο, όπως όλοι διαπιστώνουμε, το φως τους είναι ψυχρό. Ο λόγος είναι ότι λείπει το κόκκινο από το φάσμα φωτός που αποδίδουν. Το πρόβλημα απασχόλησε από το 1996 τον καθηγητή Χημείας του ΜΙΤ Moungi G. Bawendi, ο οποίος αναζήτησε τη λύση στους ημιαγωγούς νανοκρυστάλλων που είχαν αναπτύξει στις αρχές της δεκαετίας του '80 οι Louis Brus (Bell Laboratories, ΗΠΑ) και Alexander Efros και Alexei I. Ekimov (Πολυτεχνείο AF Ioffe Αγίας Πετρούπολης, Ρωσία). Κατέληξε να κατασκευάσει «φωτοδιόδους κβαντοκουκκίδων» (Quantum Dot LEDs) που αποδίδουν το πλήρες φάσμα. Τι είναι αυτές και γιατί ονομάζονται έτσι;

Οι μαγικοί φωτοκρύσταλλοι

Οπως εξήγησε ο ίδιος ο Bawendi πολύ παραστατικά (βλ. www.youtube.com/watch?v=EMdUfMF-8IU), οι «κβαντοκουκκίδες» είναι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι σεληνιδίου του καδμίου (CdSe), εγκιβωτισμένοι έτσι ώστε να λειτουργούν ως ημιαγωγοί (τρανζίστορ) που απορροφούν φως σε κάποιο μήκος κύματος και το αποδίδουν σε άλλο. Λόγω του ότι οι φυσικές ιδιότητές τους στη νανοκλίμακα διαφέρουν «παράλογα» από εκείνες που εμφανίζουν σε απτή κλίμακα, οι νανοκρύσταλλοι αυτοί ονομάστηκαν κβαντοκουκκίδες (quantum dots). Επίσης, ανάλογα με το μέγεθός τους στη νανοκλίμακα, οι κρύσταλλοι CdSe εκπέμπουν διαφορετικό φως. Συγκεκριμένα, ο Bawendi ανακάλυψε ότι όταν διέγειρε κρυστάλλους μεγέθους 1,5 nm εκείνοι εξέπεμπαν πράσινο φως, όταν διέγειρε κρυστάλλους 2 nm έπαιρνε κίτρινο φως και όταν οι κρύσταλλοι είχαν μέγεθος 4,1 nm έπαιρνε κόκκινο φως.

Τα παραδοσιακά υλικά εκπομπής φωτός, όπως οι φωσφορίζοντες κρύσταλλοι, έχουν ένα σταθερό φάσμα εκπομπής. Το ότι οι κβαντικές κουκκίδες μπορούν να μετατρέπουν το φως σε σχεδόν οποιοδήποτε χρώμα στο ορατό φάσμα δίνει θεωρητικά στους σχεδιαστές οθονών τη δυνατότητα να αντιστοιχούν το φάσμα φωτός στα χρωματικά φίλτρα που χρησιμοποιούν με περισσότερη ακρίβεια και με καλύτερη ενεργειακή απόδοση. Η πρώτη σκέψη εφαρμογής τους ήταν λοιπόν στον φωτισμό και στις οθόνες, αλλά χρειάστηκαν πολλές τεχνολογικές βελτιώσεις για να καταστεί η φωτεινότητά τους σταθερή και επαρκής για κάτι τέτοιο. Παράλληλα, το ότι το μέγεθός τους ήταν ίσο με εκείνο μιας μεγάλης πρωτεΐνης έκανε την ιατρική και τη βιολογία αποδέκτες των ευεγερτημάτων τους από το 2004: βουτηγμένες σε σιλικόνη και διαχεόμενες μέσα στον ιστό ζώντων οργανισμών, οι μικροσκοπικές αυτές φωτοδίοδοι «φώτισαν» τις ως τότε αδιόρατες χημικές διεργασίες των νευρώνων, ή τη διασπορά των καρκινικών κυττάρων. Από πέρυσι ο έλεγχος των κβαντοκουκκίδων μέσα στους οργανισμούς έγινε πλήρης χάρη σε έναν μηχανισμό οδήγησης μέσω μαγνητικού πεδίου (www.sciencedaily.com/releases/2014/ 10/141009141652.htm).

Μια πολύ διαφωτιστική εργασία για τη συνδρομή των κβαντοκουκκίδων στην εξέλιξη της βιονανοτεχνολογίας μπορείτε να διαβάσετε στο http://www.mdpi.com/1422-0067/11/1/154/htm.

Το πέρασμα στις οθόνες

Το πριν και το μετά: αριστερά, η απλή LCD TV της LG και, δεξιά, η ίδια μετά την προσθήκη της μεμβράνης κβαντοκουκκίδων του καθηγητή Π. Αλιβιζάτου

Ηταν Ιούνιος του 2009 όταν η δημοσίευση μιας εργασίας του Moungi G. Bawendi και της ομάδας του στο ΜΙΤ (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl9002969) ενημέρωσε τις βιομηχανίες οθονών ότι οι κβαντοκουκκίδες είχαν πλέον την απόδοση φωτεινότητας που χρειάζονταν, όπως και τον τρόπο κατασκευής που επέτρεπε τη μαζική παραγωγή τους. Ακολούθησε ένας αγώνας δρόμου που κατέληξε στην εφετινή παρουσίαση (στη διεθνή έκθεση CES 2015 του Ιανουαρίου) τηλεοράσεων με κβαντοκουκκίδες από τις κορεατικές LG και Samsung, την ιαπωνική Sony και την κινεζική TCL.  Για να ξεδιαλύνουμε το πώς έγινε το άλμα αυτό, θα πρέπει πρώτα να ξεκαθαρίσουμε ότι οι κβαντοκουκκίδες δεν προσέφεραν μια διαφορετική τεχνολογία προβολής (όπως ήταν οι τηλεοράσεις πλάσματος) αλλά μιαν άλλη τεχνολογία φιλτραρίσματος του φωτός. Κατ' ουσίαν, όλες οι οθόνες υπολογιστών, τηλεοράσεων και φορητών συσκευών που έχουμε σήμερα είναι τεχνολογίας απεικόνισης μέσω υγρών κρυστάλλων (LCD). Οταν οι οθόνες ενισχύουν την εικόνα τους με οπίσθιο φωτισμό, λέγονται «οθόνες LED». Και οι LCD και οι LED οθόνες λοιπόν στήνουν την εικόνα τους με κόκκινους, πράσινους και μπλε κρυστάλλους, που συνδυαστικά παράγουν τα χρώματά της. Για να ελέγξουν την καθαρότητα των αποδιδόμενων χρωμάτων οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν φίλτρα, τα οποία όμως μειώνουν τη φωτεινότητα της εικόνας.

Σωληνάκια, μεμβράνες και... καρφίτσες

Ο Bawendi και συνεργάτες του από το ΜΙΤ συνέπηξαν την εταιρεία QD Vision, η οποία προσέφερε στους κατασκευαστές την εξής λύση: να κατασκευάζουν τα εικονοστοιχεία των οθονών τους με μπλε LED, τα οποία στέλνουν το φως τους σε γυάλινα σωληνάκια, γεμάτα από κόκκινες και πράσινες κβαντοκουκκίδες. Το φως που προκύπτει από τη διέγερση των κβαντοκουκκίδων συμπληρώνει το ψυχρό φως των μπλε LED και, στην άκρη του κάθε σωλήνα, βγαίνει ζωντανό λευκό φως θερμοκρασίας 2.700 Kelvin. Δεδομένου ότι είναι «καθαρό λευκό», το φως αυτό περνάει μέσα από τα χρωματικά φίλτρα των οθονών σχεδόν χωρίς αλλοίωση, κρατώντας τη φωτεινότητά του.

H QD Vision του Bawendi απέκτησε ανταγωνισμό από εταιρείες ιδρυθείσες επίσης από ερευνητές χημείας αμερικανικών πανεπιστημίων. Η Nanosys (www.nanosysinc.com), του ημέτερου καθηγητή στο Berkeley και διευθυντή του Lawrence Berkeley National Laboratory, Παύλου Αλιβιζάτου, ιδρύθηκε το 2001, αλλά μόνο έπειτα από 10 χρόνια και 200 πατέντες κατάφερε να παρουσιάσει τη δική της κατασκευαστική πρόταση, ονόματι QDEF (Quantum Dot Enhancement Film): αντί να κλείνει τις κβαντοκουκκίδες σε γυάλινα σωληνάκια, τις παγιδεύει σε μια μεμβράνη. Η Nanosys ισχυρίστηκε ότι η κβαντομεμβράνη της αντέχει περισσότερο στη συνεχή χρήση, όπως συμβαίνει στις οθόνες υπολογιστών. Απ' ό,τι φαίνεται, έπεισε, καθώς το 2013 κατάφερε να ενσωματώσει τη μεμβράνη της στις οθόνες των ταμπλετών Kindle Fire HDX 7 της Amazon και το 2014 στις οθόνες των Zenbook NX-500 της Asus.

Επειτα υπάρχει και η Pacific Light (PLT, www.pacificlighttech.com), η οποία ιδρύθηκε από τη φοιτήτρια του Αλιβιζάτου Juanita Kurtin και «καρφώνει» τις κβαντοκουκκίδες κατευθείαν πάνω στα LED. Η Χουανίτα ισχυρίζεται ότι τα κβαντο-LED της εμφανίζουν τη μικρότερη χρωματική παρέκκλιση στο πέρασμα του χρόνου.

Ανώτερη φωτεινότητα, μισή κατανάλωση

Μια επίστρωση κβαντοκουκκίδων αρκεί για να μετατραπεί το ψυχρό φως των λαμπτήρων LED σε θερμό «απόλυτο λευκό»

Γενικά, η ανωτερότητα απόδοσης των χρωμάτων στις οθόνες και τηλεοράσεις με κβαντοκουκκίδες έναντι της απόδοσης των οθονών οργανικών φωτοδιόδων (OLED) υπάρχει και έχει καταμετρηθεί σε όλα τα σχετικά τεστ των ειδικευμένων περιοδικών (η φωτεινότητά τους είναι τουλάχιστον 30% ανώτερη των OLED). Επίσης, οι οθόνες QD-LED καταναλώνουν σχεδόν το μισό ρεύμα από τις OLED. Λογικά λοιπόν η επόμενη πενταετία δείχνει να ανήκει στις QD-LED TV. Στην πράξη όμως το παιχνίδι της αγοράς θα κριθεί από το ποια τεχνολογία θα καταφέρει να ρίξει το κόστος της γρηγορότερα. Για την ώρα, το μοντέλο κβαντοκουκκίδων της Samsung UE65JS9500 SUHD, στις 65 ίντσες, πωλείται στην Ελλάδα με τιμές που αρχίζουν από 5.200 ευρώ.

Φωτοβολταϊκά: το μέγεθος μετράει

Η Pacific Light ξεκίνησε την εμπλοκή της με τις κβαντοκουκκίδες από τα φωτοβολταϊκά - ως SpectraWatt - το 2008. Εκείνος ο αρχικός της προσανατολισμός είχε στηριχθεί στη θεωρία ότι η χρήση των κβαντοκουκκίδων για τη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρικό ρεύμα θα ήταν αποδοτικότερη και φθηνότερη από εκείνη των φωτοβολταϊκών πυριτίου. Αλλά για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο στην πράξη, θα έπρεπε να είναι απόλυτα ελέγξιμη η κίνηση του ηλεκτρικού φορτίου στις κβαντοκουκκίδες. Και πώς καταφέρνεις κάτι τέτοιο σε ένα νανοτρανζίστορ μικρό όσο ένα... άτομο;

Η απάντηση σχηματοποιήθηκε μόλις πριν από ενάμιση χρόνο, μέσα από δύο εργασίες που δημοσιεύθηκαν στο Chemical Communications (pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja413254g και pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/cc/c3cc47975g). Σε αυτές καταδείχθηκε ότι «το μέγεθος μετράει»: όσο μικρότερος είναι ο πυρήνας μιας κβαντοκουκκίδας τόσο μεγαλύτερη είναι η μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου από την κβαντοκουκκίδα προς ένα περιβάλλον πλέγμα πολυμερούς - άρα και τόσο αποδοτικότερη η χρήση της σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα.

Το επόμενο που απέμενε να βρεθεί ήταν με ποιον τρόπο μπορούμε να έχουμε την απλούστερη και φθηνότερη παραγωγή φωτοδιόδων από κβαντοκουκκίδες, διασφαλίζοντας παράλληλα τη διατήρηση της υψηλής τους απόδοσης παρά την πρόσμειξη με άλλα υλικά. Να σημειωθεί στο σημείο αυτό ότι οι προϋπάρχουσες διαδικασίες παραγωγής QD-LEDs μείωναν δραματικά (ως και κατά 90%) τη φωτεινότητα, λόγω του ότι οι κβαντοκουκκίδες τοποθετούνταν σε μια οργανική μεμβράνη που χρησίμευε ως φορέας κίνησης των ηλεκτρονίων.

Η απάντηση ήλθε μόλις προ ημερών, στις 5 Ιουνίου 2015, από το Πανεπιστήμιο της Χιροσίμα (scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/106/20/10.1063/1.4921415): οι ερευνητές του κατόρθωσαν να φτιάξουν ένα μπλε κβαντο-LED από πυρίτιο σε θερμοκρασία δωματίου και με διαδικασίες απλής επεξεργασίας διαλύματος. Συγκεκριμένα, πάνω σε μια γυάλινη βάση εναπόθεταν διαδοχικές στρώσεις διαλυμάτων αγώγιμου πολυμερούς και στο τέλος μία κολλοειδή κβαντοκουκκίδα από πυρίτιο. Πέραν της απλότητας κατασκευής του, το απίστευτο είναι ότι το παραγόμενο QD-LED εμφάνισε ιδιότητες ως και 350 φορές καλύτερες από κάθε προηγούμενη υλοποίηση.

Από τα ιατρικά ενδοσκόπια στους κβαντικούς υπολογιστές

Αφότου εμφανίστηκαν, οι κβαντοκουκκίδες αξιοποιήθηκαν σχεδόν σε όλα τα οπτικά πεδία εφαρμογών: από αισθητήρες και κάμερες παρακολούθησης ως ιατρικά ενδοσκόπια, φωτισμό, οθόνες και ηλιοκύτταρα. Υπάρχει όμως και μια περιοχή εφαρμογής τους εξαιρετικά ιδιόμορφη: ο έλεγχος και χειρισμός του «κβαντικού ρεύματος» που απαιτείται για την υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών.

Πρόκειται για έναν σχεδόν άγνωστο στους πολλούς αγώνα δρόμου που διεξάγουν κάποιοι φυσικοί τα τελευταία 15 χρόνια. Ο στόχος τους είναι να δημιουργήσουν ρεύμα από μοναδιαία φωτόνια, με τρόπο που να εγγυάται ότι ο ρυθμός παραγωγής των φωτονίων αυτών είναι ελέγξιμα σταθερός και ότι τα παραγόμενα φωτόνια είναι όμοια μεταξύ τους. Στην πλειονότητα των επιτυχών πειραμάτων που έχουν δημοσιευθεί (κυρίως από κινέζους και γερμανούς φυσικούς) οι κβαντικές κουκκίδες ήταν ο πρωταγωνιστής. Πυροβολώντας τες ρυθμικά με ακτίνες λέιζερ, οι ερευνητές τις διεγείρουν και κατορθώνουν να εξάγουν φωτόνια από αυτές όλο και πιο γρήγορα, σταθερά και αξιόπιστα (βλ. π.χ. http://nanotechweb.org/cws/article/tech/52467).    

Εκτυπώσεις σε... τεχνητό αφτί

Η τρισδιάστατη εκτύπωση βιονικών κυκλωμάτων με κβαντοκουκκίδες είναι πλέον εφικτή

Η πιο απίστευτη πάντως εφαρμογή των κβαντοκουκκίδων ήταν σίγουρα εκείνη που ανακοινώθηκε τον Οκτώβριο του 2014 από ερευνητές του αμερικανικού Πανεπιστημίου Princeton: Αξιοποιώντας την ύπαρξη των κβαντοκουκκίδων σε μορφή διαλύματος, τις ενέχυσαν ως «μελάνι» σε ειδικά διαμορφωμένο τρισδιάστατο εκτυπωτή και κατάφεραν να «τυπώσουν» ηλεκτρονικά νανοκυκλώματα σε... τεχνητό αφτί ή φακό επαφής (βλ. pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5033292).

Αν αναρωτιέστε ποια η χρησιμότητα αυτού του «ερασιτεχνικού τρόπου» χρήσης τους, σκεφθείτε το εξής: η βιομηχανική παραγωγή αναλογικών ή ψηφιακών κυκλωμάτων γίνεται συνήθως λιθογραφικά, με την ταχύτατη και διαδοχική επίστρωση αγώγιμου, ημιαγώγιμου και μονωτικού υλικού. Σε κάθε περίπτωση, η διαδικασία αυτή απαιτεί επίπεδη επιφάνεια, εγνωσμένου μεγέθους. Τι γίνεται όταν η επιθυμητή επιφάνεια εφαρμογής του κυκλώματος είναι καμπύλη (όπως συμβαίνει σε έναν φακό επαφής) ή πρέπει να προσαρμοστεί μοναδικά στη μορφολογία οργάνου ενός ασθενούς (όπως συμβαίνει στην περίπτωση ενός τεχνητού αφτιού);

Η επιτυχημένη αυτή δοκιμή χρήσης του τρισδιάστατου εκτυπωτή για το τύπωμα κυκλωμάτων κβαντοκουκκίδων «όπου δει» ανοίγει απίστευτες προοπτικές. Φαντασθείτε ότι σύντομα θα μπορούμε να σχεδιάζουμε και να δημιουργούμε οίκοθεν «έξυπνα τρισδιάστατα αντικείμενα» με ενσωματωμένα τα ηλεκτρονικά τους κυκλώματα. Ή - σε ένα κατοπινό μέλλον όπου η πλειονότητα των ανθρώπων θα κυκλοφορεί με κάμποσα βιονικά εμφυτεύματα - ότι ένας «εκτυπωτής τσέπης» θα φροντίζει να μην... ξεμένουμε από ανταλλακτικά. 


ΑΝΑΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ ΑΠΟ ΤΟ ΒΗΜΑ 5/7/2015