Fra laboratoriet til din digitale enhed, kvanteprikker har taget kvantespring

(Phys.org) – Uden for hans karriere som en kendt nanokemiker, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) direktør Paul Alivisatos er en ivrig fotograf. For at vise sine billeder frem, hans foretrukne enhed er en Kindle Fire HDX-tablet, fordi "farveskærmen er meget bedre end andre tablets, " han siger.

Hvad han måske undlader at nævne for seeren er, at han ikke kun tog billedet, han hjalp også med at opfinde nanoteknologien, der gjorde det muligt for seeren at se de strålende greens, rige røde, og fed blues, alt imens du bruger væsentligt mindre energi. Faktisk, Kindle-skærmen bruger en teknologi fremstillet af Nanosys, et startup Alivisatos, der blev grundlagt i 2001 for at kommercialisere kvanteprikker.

"Kvanteprikker tilbyder meget høj farverenhed og kan lave et farvedisplay, der har et bredere farveskala, så det er meget behageligt for øjet, " sagde Alivisatos. "De er også meget energieffektive."

Det var i hans laboratorium for næsten 20 år siden, sammen med samarbejdspartner Shimon Weiss, Alivisatos syntetiserede sfæriske nanokrystaller lavet af en kerne af cadmiumselenid inde i en skal af cadmiumsulfid. Det bemærkelsesværdige ved disse kvanteprikker var, at de kunne udsende ekstremt rent lys af næsten enhver farve, afhængig af deres størrelse.

Siden da, Berkeley Labs kvanteprikker har ikke kun fundet vej til tabletter, computerskærme, og tv, de bruges også i biologiske og medicinske billedbehandlingsværktøjer, og nu udforsker Alivisatos' laboratorium dem til solcelle- og hjernebilleddannelsesapplikationer.

Fordi størrelsen af ​​kvanteprikker let kan "tunes" - forskellige størrelser prikker udsender forskellige farver - er rækken af ​​mulige anvendelser enorm. "Der er mange tusinde akademiske forskningsgrupper rundt om i verden, der regelmæssigt bruger kvanteprikker, " sagde Alivisatos.

Nanosys, baseret i Milpitas, Californien, beskæftiger omkring 100 mennesker og producerer 25 tons kvanteprikker hvert år, nok til 10 millioner tv. Kvanteprikker er uorganiske nanokrystaller lavet af halvledere og udgør en ny klasse af materialer. "Deres unikke egenskab er, at deres emissionslinjebredde er meget smal, i størrelsesordenen 30 nanometer, " sagde Nanosys ledende videnskabsmand Jian Chen. "Det gør dem meget rene i farven. De er i bund og grund de reneste farvefosfor derude."

Skærmene i de fleste elektronik på markedet i dag bruger flydende krystal display (LCD) skærme, som typisk involverer at skinne et hvidt lys gennem en række filtre for at producere spektret af farver. Dette resulterer i spildt energi. Nanosys' kvanteprikker er designet til at forbedre farve- og energiydelsen på LCD-skærme.

Det viser sig, at kerne-skal-strukturen af ​​kvanteprikkerne syntetiseret i Alivsatos' laboratorium var et vigtigt gennembrud for at opnå høj lyskonverteringseffektivitet. "Ved at bruge kerne-skal strukturen, fotonkonverteringseffektiviteten kan være så god som, eller tæt på, 100 procent, " sagde Chen. "Det betyder, at hvis 100 fotoner rammer en kvanteprik, næsten 100 fotoner kan udsendes af kvanteprikken."

Nanosys siger, at deres teknologi gør skærme 20 procent mere energieffektive, betyder længere batterilevetid for enheden. "Tyve procent lyder ikke som et stort beløb, men når du tænker på, at skærmen bruger halvdelen af ​​strømmen af ​​en tablet eller enhed, det er faktisk en stor forbedring, " sagde Nanosys talsmand Jeff Yurek.

På et eller andet tidspunkt i fremtiden, Yurek siger, at Nanosys kan udvikle en belysningsapplikation til sine kvanteprikker. "Kvanteprikker er verdens mest effektive lysudsender - de er næsten 100 procent effektive, " sagde han. "Der er interessante ting, du kan gøre med hensyn til generel belysning. Vi kunne gøre en LED-pære mere effektiv og samtidig have farvekvaliteten som en glødepære. Det er noget længere nede af vejen for os."

Alivisatos' andet quantum dot-selskab - Quantum Dot Corp., som han var med til at stifte i 1998 for at kommercialisere brugen af ​​kvanteprikker til selvlysende mærkning af biologiske væv - er siden blevet erhvervet, og den teknologi findes nu i biologiske og medicinske billedbehandlingsværktøjer lavet af Thermo Fisher Scientific.

I mellemtiden han fortsætter med at arbejde på kvanteprikker til andre applikationer. Et af hovedområderne er hjerneforskning, emnet for et større videnskabeligt initiativ annonceret af præsident Obama i 2013, Hjerneforskning gennem Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN).

"For hjerneaktivitet, kvanteprikker, som vi kender dem, er ikke så tilbøjelige til at være nyttige til at måle membranpotentiale i neuroner og den slags, men der er mange ideer til, hvordan man laver nye generationer af kvanteprikker, der ville være følsomme over for neurotransmittere, så der kunne være potentiale for neuroimaging, " sagde han. "Det er meget tidligt, men vi arbejder bestemt på sådan noget."

En anden mulig anvendelse er til solceller, som var det oprindelige fokus for Nanosys, da det blev lanceret. "I et stykke tid var jeg modløs over solenergianvendelser, " sagde Alivisatos. "For nylig, vi har arbejdet som en del af dette (Dept. of Energy) Energy Frontier Research Center med grupper på Caltech og University of Illinois [Light-Material Interactions in Energy Conversion Center ledet af California Institute of Technology]. Vi har ideer til luminescenskoncentratorer, hvor kvanteprikker kan have meget betydelige fordele for solenergi. Så vi har en ny idé. Det er endnu ikke bevist i laboratoriet, men det tidlige arbejde er lovende."