Kvantumpontok, Nanotechnológia

Sokan kérdezték már, hogy tulajdonképpen mivel is foglalkozom, ezért most ezt fogom leírni, ügyelve arra, hogy mindenki számára érthető legyen, és hogy szakmai titkokat ne tárjak fel.

Az első képen látható kép az egyik kísérletsorozatom eredménye, itt különböző színnel világító kvantumpontokat (Quantum Dots) állítottam elő, és ezeket láthatjuk oldószerben. A felső képet UV fény megvilágítása mellett, az alsót normál fényben készítettem.

De mi is az a kvantumpont és hogyan működik? A kvantumpont egy nagyon apró félvezető nanokristály, legtöbbször Cd, Zn, Pb fémek S, Se, Te és O-al alkotott sói. De lehet tiszta fém is, mint arany, ezüst nanokristály. Ennek az anyagnak a fizikai és optikai tulajdonságait kizárólag annak mérete határozza meg, nem pedig az anyagi minősége. A 2.ábrán (NMT NEWS), különböző méretű, de azonos anyagú kvantumpontok fényemisszióját láthatjuk. Félvezetőnek azokat az anyagot nevezzük, melynek Vegyértéksávja és a Vezetési sávja nincs átlapolva egymással, de olyan közel vannak egymáshoz, hogy pl termikus, vagy fény energia hatására egy elektron át tud kerülni a Vegyértéksávból a Vezetési sávba. Ezt mutatja a 3.ábra (3., 4., 5., 6.ábra: EVIDENT TECHNOLOGIES)

A gerjesztés hatására magasabb energiába került elektron egy kis idő múlva visszatér alapállapotába - ezt hívjuk relaxációnak-, és a gerjesztés során kapott többletenergiáját kisugározza fény formájában. (természetesen nem biztos, hogy a látható tartományban). A kisugárzott fény energiája szigorúan jellemző a félvezető anyagára - hiszen minden anyagnak más a Vegyértéksáv és Vezetési sáv közti energiája -, de kvantumpontoknál ez függeni fog a nanokristály méretétől is.

Ha egy kvantumpont méreteit 3D-ben elkezdjük csökkenteni, az maga után vonja a sávszerkezet távolodását egymástól, így ezekre az anyagokra nem jellemző már a folyamatos sávszerkezet. Minél kisebb méretre visszük le a kvantumpontokat, annál jobban szeparálódnak az energiasávjai, ez legjobban a Vegyértéksáv és a Vezetési sáv közti úgynevezett Tiltott sáv (bandgap) energiáját érinti.

Vagyis minél kisebb lesz a nanokristály mérete, annál nagyobb lesz az energia a Vegyérték és a Vezetési sáv között, tehát ha csökkentjük a részecske méretét, akkor a relaxáció során kisugárzott fény a nagyobb energiájú kék tartományba fog eltolódni. Tehát a sávszerkezet mérettől való függése az a tényező, ami miatt ilyen kis dimenziókban ezeknek az anyagoknak a tulajdonságait a méretük határozza meg. És mégis mire lehet ezeket az anyagokat használni azon kívül, hogy szépen világítanak? Hát a gyors válasz az az, hogy iszonyú sok mindenre.

Mivel ezek szervetlen kristályok - tehát nagyon stabilak -, a biotechnológiában hihetetlenül felkapott lett pár éven belül, kezdik teljesen kiszorítani az eddig használt szerves fluoreszkáló vegyületeket, hiszen míg ezek pár perc alatt elbomlanak, a kvantumpontok több napig vagy akár hetekig működnek emisszióvesztés nélkül, és stabil körülmények között évekig eltarthatók. Éppen ezért a biotargeting területen nagyon közkedvelt, bármilyen antitestet rákapcsolva a nanokristályra bármilyen részletet, ágenst láthatóvá tudunk tenni, akár sejtekben, akár a szervezetben. Egyszerre több színű jelölést érhetünk el velük, hiszen a gerjesztés energiája nem specifikus, mint a szerves anyagoknak, így elég egy UV lámpával bekapcsolni a fénykibocsátást. Így egy sejtben a különböző komponenseket különböző színnel lehet jelölni. (7.kép: QUANTUM DOT CORP., HAYWARD, CA)

Lehet használni betegségek diagnosztikálására, akár In Vivo is, mint a rák (8.kép: PHYSORG.COM) vagy pl. érelmeszesedés. Ez a módszer nagyon kényelmes, hiszen nem kell szövetmintát sem venni a betegből, elég csak beinjektálni az anyagot, és az összegyűlik a beteg, daganatos sejtekben világítóvá téve azt a helyet. A rák, és különböző betegségek hatékonyabb kezelése is talán megoldható lesz ezekkel az anyagokkal, rengeteg kutatás folyik ezzel kapcsolatban manapság. Nekem konkrétan ez az egyik projektem, így erről többet nem szeretnék mondani.

Használják még például ezeket a nanokristályokat LED-ekben, LCD-kben, lézerekben (pl a Blue Ray Disc optikájába úgy tudom egy kvantumpont lézer van beépítve) biztonsági jelekben, festékekben, diódákban, energiatermelésre alkalmas cellákban, napelemekben, fluorescent spektoszkópiában, biotechnológiában, informatikában és a hadászatban is. A világ nagyobb hadseregei is eléggé élénken érdeklődnek a kvantumpontok iránt, ők inkább a láthatatlanná tévő anyagok fejlesztésénél látják a lehetőságet a kvantumpontokban (lásd: "cloaking device", "metamaterial") .
Tehát látható, hogy nem véletlenül lett most ez a terület ilyen népszerű a nanotechnológián belül, pedig ahogy én gondolom ez még csak a kezdet, hiszen elég sok kérdés nyitva van még ezzel a témával kapcsolatban. És ha körbenézünk a manapság legaktívabban kutatott tudományos területek között, akkor azt láthatjuk, hogy ez az eddig nem ismert nano-dimenzió a saját maga újszerű törvényei és lehetőségei miatt forradalmasítja a tudomány összes területét, vagyis azt vehetjük észre, hogy mi most egy nano-világban élünk...

***