برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۵/۲۶ تا ۱۳۹۸/۰۶/۰۱

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۴۶۹
  • بازدید این ماه ۱۶۱
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۱۸
  • قبول شدگان ۳۶۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۴۱
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

معرفی نقاط کوانتومی (Quantum dots)

نقاط کوانتومی به نانوبلورهای نیمه‌هادی (در حدود 10-1 نانومتر) گفته می‌شود. نقاط کوانتومی به طور گسترده‌ای در دیودهای نشردهنده نور، لیزرها، تصویربرداری از بدن موجودات زنده و سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این مقاله، به طور اجمالی به معرفی نقاط کوانتومی پرداخته می‌شود و خواص نوری آن‌ها مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس انواع روش‌های سنتز، شیمی سطح نقاط کوانتومی و هم‌چنین سمیت و کاربردهای این نقاط به طور مفصل مورد مطالعه قرار خواهند گرفت.

1- مقدمه


 
چندرسانه‌ای 1: دیودهای نشردهنده نور ساخته شده از نقاط کوانتومی: نانوبلورهای نیمه‌هادی که به آن‌ها نقاط کوانتومی نیز گفته می‌شود، به طور گسترده توسط محققان مختلف برای استفاده در دیودهای نشرکننده نور (LEDs)، لیزرها و سلول‌های خورشیدی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. 

 

نقاط کوانتومی، به بلورهای نیمه‌هادی در ابعاد نانو (10-1 نانومتر) اطلاق می‌شود. این نانوساختارها شامل 200 تا 10000 اتم تشکیل بوده و اندازه آن‌ها تقریباً برابر با اندازه یک پروتئین درشت است. شکل 1 تصویر SEM از کامپوزیت مزوپوروس هماتیت- نقاط کوانتومی کربنی را نشان می‌دهد.

 

شکل 1- تصویر SEM از کامپوزیت مزوپوروس هماتیت- نقاط کوانتومی کربنی.

 

ساختار نقاط کوانتومی معمولاً به‌صورت پوسته-هسته است که در آن، هسته از عناصر گروه‌های دو تا شش (II-VI) یا  سه تا پنج (III-V) جدول تناوبی تشکیل شده و توسط پوسته‌ای از جنس ترکیبات نیمه‌هادی پوشانیده می‌شود. بنابراین، پوسته و هسته هر دو نیمه‌هادی هستند. شکل 2 شمایی از ساختار پوسته-هسته نقاط کوانتومی را نشان می‌دهد.

 

شکل 2- شمایی از ساختار پوسته-هسته نقاط کوانتومی.

 

طبق تعریف، مواد نیمه‌هادی به موادی گفته می‌شود که هدایت الکتریکی آن‌ها بین هدایت الکتریکی مواد رسانا و عایق باشد. مکانیزم هدایت در مواد نیمه‌هادی به این صورت است که الکترون‌های موجود در لایه ظرفیت، با جذب انرژی به لایه هدایت منتقل می‌شوند. در این شرایط یک حفره در لایه ظرفیت (به‌جای الکترون کنده شده) و یک الکترون در لایه هدایت به‌وجود می‌آید که به آن زوج الکترون-حفره گفته می‌شود. نام دیگر این زوج الکترون-حفره تشکیل شده، اکسایتون (Exciton) است. این زوج الکترون-حفره با نیروی جاذبه الکتروستاتیک در کنار هم قرار می‌گیرند. به تفاوت انرژی لایه ظرفیت با لایه هدایت، نوار ممنوعه (Band Gap) گفته می شود. شکل 3 شمایی از مکانیزم حاکم بر هدایت الکتریکی در ترکیبات نیمه‌هادی را نشان می‌دهد.

 

شکل 3- شمایی از مکانیزم حاکم بر هدایت الکتریکی در ترکیبات نیمه‌هادی.

 

مقدار انرژی نوار ممنوعه بستگی شدیدی به جنس و اندازه ترکیب نقاط کوانتومی دارد؛ به‌طوری‌که نقاط کوانتومی با اندازه‌های مختلف، انرژی نوار ممنوعه متفاوتی دارند. هرچه اندازه نقاط کوانتومی کوچک‌تر شود، انرژی نوار ممنوعه آن‌ها بزرگ‌تر می‌شود. به‌عبارت دیگر، برای برانگیخته کردن (تهییج) نقاط کوانتومی با اندازه‌های کوچک‌تر نیاز به انرژی بیشتر یا نوری با طول موج کوتاه‌تر وجود دارد. شکل 4 نمودار وابستگی طول موج منتشر شده برحسب اندازه نقاط کوانتومی را نشان می‌دهد.

 

شکل 4 - نمودار وابستگی طول موج منتشر شده برحسب اندازه نقاط کوانتومی.

 

دلیل کوانتیزه شدن (افزایش انرژی نوار ممنوعه) با ریزتر شدن نقاط کوانتومی، اثر حدی کوانتومی  (Quantum Confinement Effect) است. این اثر در نانوذرات نیمه‌هادی (نقاط کوانتومی) باعث ایجاد خواص الکتریکی و نوری منحصر به فردی می‌شود. این اثر زمانی بروز می کند که اندازه نقطه کوانتومی از یک حد بحرانی، که به آن شعاع بور (Bohr Radius) گفته می‌شود، کمتر باشد. شعاع بور فاصله یک جفت الکترون-حفره بوده و در حدود 56 آنگستروم است. به عبارت دیگر، این اثر زمانی مشاهده می‌شود که اندازه ذرات خیلی کوچک بوده و در حد طول موج الکترون باشند. انرژی نوار ممنوعه، طبق معادله 1، برای یک نقطه کوانتومی برابر است با:

(معادله 1)                                                  

 

 

که در آن En انرژی نوار ممنوعه، h ثابت پلانک، mc جرم مؤثر بار نقطه‌ای، n سطح انرژی و R شعاع (اندازه) نقطه کوانتومی است. بنابراین، تغییر اندازه نقاط کوانتومی باعث تغییر انرژی نوار ممنوعه می‌شود (رابطه عکس دارند).    

معمولاً انرژی نوار ممنوعه پوسته نقاط کوانتومی، از انرژی هسته آن‌ها بزرگ‌تر است. در صورتی‌که مقدار انرژی لازم برای انتقال الکترون از لایه ظرفیت به لایه هدایت در گستره ناحیه مرئی قرار بگیرد (طول موج طیف مرئی 750-380 نانومتر و بسامد آن 700-400 تراهرتز است)، نقاط کوانتومی بسته به اندازه‌ خود، رنگ‌های مختلفی را در محلول از خود ساطع می‌کنند. شکل 5 تصویری از نقاط کوانتومی با رنگ‌های مختلف (ناشی از اندازه و ترکیب شیمیایی مختلف آن‌ها) را نشان می‌دهد.

 

شکل 5- تصویری از نقاط کوانتومی با رنگ‌های مختلف (ناشی از اندازه‌ و ترکیب شیمیایی مختلف آن‌ها).

 

2- خواص نوری نقاط کوانتومی 
همان‌طور که در بخش قبلی اشاره شد، اثر حدی کوانتومی در نقاط کوانتومی منجر به ایجاد خواص الکتریکی و نوری منحصر به فردی می‌شود. در چنین شرایطی، خواص نوری و الکتریکی نقاط نانوذره، با خواص آن در حالت توده‌ای (بالک) متفاوت خواهد شد. نقاط کوانتومی مزایای بسیاری نسبت به فلوروفورهای (Fluorophore) متداول مانند رنگ‌های آلی، پروتئین‌های فلورسانس‌کننده و چنگاله یا کی‌لیت‌های (Chelate) لانتانید دارند. برای مطالعه بیشتر در مورد فلورفورها و چنگاله به پیوست 1 در انتهای متن مراجعه کنید. به‌طور کلی، عوامل متعددی مانند پهنای طیف تحریک، پهنای طیف نشری، پایداری در برابر تابش نور و طول عمر فلورسانس روی رفتار و در نتیجه کاربردهای یک فلوروفور تأثیر می‌گذارند. یکی از محدودیت‌های رنگ‌های آلی، باریک بودن پهنای طیف برانگیختگی و پهن بودن طیف نشری در آن‌ها است. این محدودیت باعث می‌شود که تنها بتوان از یک طول موج خاص برای تحریک آن‌ها استفاده کرد. از طرفی، پهن بودن طیف‌های نشری فلوروفورها، باعث افزایش میزان هم‌پوشانی طیف نشری رنگ‌های مختلف می‌شود که این پدیده به دلیل ایجاد محدودیت در تعداد نشانگر‌های (Probe) فلورسانس‌کننده برای علامت‌گذاری مولکول‌های زیستی، منجر به کاهش تمایل برای استفاده از فلوروفورها در تصویربرداری از این  مولکول‌ها می‌‌شود. به‌دلیل این محدودیت، گاهی لازم است حتی چندین فلوروفور برای علامت‌گذاری مولکول‌های زیستی مورد استفاده قرار گیرد. البته، اگر طیف نشری این فلوروفورها با یک‌دیگر هم‌پوشانی داشته باشند، امکان ردیابی هم‌زمان نشر چند گونه وجود ندارد.

برخلاف رنگ‌های آلی و فلوروفورها، پهنای طیف برانگیختگی نقاط کوانتومی زیاد است؛ بنابراین امکان تحریک آن‌ها با استفاده از گستره وسیعی از طول موج‌های مختلف وجود دارد. این ویژگی باعث برانگیختگی نقاط کوانتومی با رنگ‌های مختلف، توسط تنها یک طول موج می‌شود. از طرفی، پهنای طیف نشری در نقاط کوانتومی باریک است. بنابراین می‌توان تنها با کنترل اندازه و ترکیب نانوذره و پوشش سطحی آن، طول موج طیف نشری در نقاط کوانتومی را در گستره وسیعی از طول موج‌ها (از فرابنفش تا مادون قرمز) کنترل کرد.

 


چندرسانه‌ای 2: اثر حدی کوانتومی (Quantum Confinement Effect) در نقاط کوانتومی.

 

یکی از ویژگی‌های مهم در بسیاری از کاربردهای مبتنی بر فلورسانس، پایداری در برابر نور است. یکی دیگر از محدودیت‌های فلوروفورهای آلی، پایداری ضعیف آن‌ها در برابر نور است. برخلاف فلوروفورهای آلی که تنها پس از چند دقیقه قرار گرفتن در معرض نور، رنگ خود را از دست داده و بی‌رنگ می‌شوند، نقاط کوانتومی بسیار پایدار بوده و امکان استفاده طولانی‌‌‌مدت از آن‌ها حتی تحت شدت بالای نور برانگیختگی وجود دارد.    

پایداری بالای نقاط کوانتومی در معرض نور باعث استفاده گسترده از آن‌ها به‌عنوان نشان‌گر شده است؛ به‌طوری‌که امکان ردیابی سیگنال فلورسانس حاصل از این نقاط برای مدت زمان‌های طولانی وجود دارد. بنابراین می‌توان از طول عمر بالای فلورسانس حاصل از نقاط کوانتومی پس از برانگیختگی، در کاربردهایی مانند عکس‌برداری از بافت‌های بدن استفاده کرد. از آن‌جایی که برخی از بافت‌های بدن موجودات زنده به‌طور خودبه‌خودی دارای فلورسانس هستند، بنابراین در مواردی که هدف، ردیابی سیگنال فلورسانس یک مولکول زیستی خاص باشد، سیگنال‌های فلورسانس ساطع شده از بافت‌های بدن باعث ایجاد مزاحمت در فرآیند عکسبرداری می‌شوند. انتشار رنگ‌های آلی بلافاصله پس از برانگیختگی (کمتر از 5 نانوثانیه) رخ می‌دهد. درصورتی‌که از رنگ‌های آلی برای علامت‌گذاری در داخل بدن موجودات زنده استفاده شود، نشر خودبه‌خودی بافت‌ها با نشر فلوروفور تداخل کرده و منجر به کاهش نسبت سیگنال به نوفه (نویز) می‌شود. در مقابل، استفاده از نقاط کوانتومی، به‌دلیل مدت زمان نشر طولانی‌تر (حدود 3 تا 100 نانوثانیه) باعث می‌شود که نور انتشار یافته تا زمان‌های طولانی‌تری باقی بماند و بتوان پس از کاهش سیگنال زمینه (سیگنال‌های حاصل از بافت موجودات زنده) و رفع مزاحمت آن، نور حاصل از این نقاط را ردیابی کرد.        

هنگامی‌که نقاط کوانتومی در تماس با سطح یک الکترود قرار بگیرند، در اثر تابش نور از خود خواص الکتروشیمیایی نشان می‌دهند. تحریک این ترکیبات توسط یک فوتون منجر به انتقال الکترون از لایه ظرفیت به لایه هدایت شده و یک جفت الکترون-حفره ایجاد می‌کند. طی بازگشت الکترون‌ها از حالت برانگیخته به حالت پایه، الکترون و حفره دوباره با یک‌دیگر ترکیب شده و باعث وقوع فرآیند لومینسانس می‌شوند. جهت آشنایی بیشتر با فرآیند لومینسانس به مقاله "معرفی فرآیندهای لومینسانس و فوتولومینسانس" در سایت آموزش نانو مراجعه کنید. با ایجاد شرایطی برای افزایش مدت زمان پایداری جفت الکترون-حفره در محلول، امکان ایجاد جریان الکتریکی در آن وجود دارد. برای این منظور دو روش پیشنهاد شده است که عبارتند از:  

  •     روش اول با ورود یک الکترون‌دهنده به محلول انجام می‌گیرد. با انتقال الکترون از ترکیب الکترون‌دهنده به لایه ظرفیت نقطه کوانتومی، احتمال بازگشت الکترون‌های برانگیخته شده موجود در لایه هدایت به حالت پایه کاهش یافته و الکترون‌های موجود در لایه هدایت به‌جای لایه ظرفیت، به الکترود منتقل می‌شوند. این حالت منجر به تولید جریان آندی در الکترود می‌شود (شکل 6-الف).
  •     روش دوم با ورود یک الکترون گیرنده به محلول انجام می‌گیرد. در چنین شرایطی، الکترون‌های برانگیخته شده به لایه هدایت، به ترکیب الکترون گیرنده موجود در محلول انتقال می‌یابند. حفره موجود در لایه ظرفیت با بار مثبت، توسط انتقال الکترون از الکترود به لایه ظرفیت خنثی شده و باعث ایجاد یک جریان کاتدی می‌شود.

شکل 6 شمایی از نحوه ایجاد جریان الکتریکی (خاصیت فوتوالکتروشیمیایی نقاط کوانتومی تحت تابش) را نشان می‌دهد.

 

شکل 6- شمایی از نحوه ایجاد جریان الکتریکی (خاصیت فوتوالکتروشیمیایی نقاط کوانتومی تحت تابش نور): الف) ایجاد جریان آندی در حضور الکترون‌دهنده (D) در محلول و ب) ایجاد جریان کاتدی در حضور الکترون گیرنده (A) در محلول.

 

3- سنتز نقاط کوانتومی و شیمی سطح آن‌ها
از عوامل بسیار تأثیرگذار بر خواص فوتوشیمیایی و فوتوفیزیکی نقاط کوانتومی می‌توان به جنس پوسته، هسته و ماده پوشاننده سطح به‌کار رفته در سنتز این نقاط اشاره کرد. پوسته نقش بسیار مهمی در پایدارسازی این نقاط ایفا می‌کند و تغییری جزئی در ترکیب شیمیایی آن منجر به ایجاد تغییرات شدید در خواص فوتوفیزیکی نقاط کوانتومی می‌شود. نقاط کوانتومی سنتز شده بدون پوسته و ماده‌پوشاننده، غیرقابل استفاده خواهند بود. دو دلیل اصلی برای این موضوع عبارتند از: (1) ساختار برهنه هسته نقاط کوانتومی؛ هسته برهنه نقاط کوانتومی به‌مرور دچار نقص‌های مربوط به ساختارهای بلوری می‌شود که این مسئله باعث ایجاد اختلالاتی در فرآیند نشر مانند پدیده چشمک‌زنی می‌شود. چشمک‌زنی، فرآیندی است که در آن با وجود تابش پیوسته نور به نقاط کوانتومی، نشر نور از آن‌ها به‌صورت گسسته صورت می‌گیرد. (2) نسبت بسیار بالای سطح به حجم هسته؛ هسته نقاط کوانتومی به‌دلیل اندازه بسیار کوچک و نسبت بسیار بالای سطح به حجم، به‌شدت واکنش‌پذیر است که این پدیده باعث ایجاد ناپایداری‌ در ساختار هسته برهنه شده و درنتیجه منجر به تجزیه فوتوشیمیایی نانوساختار می‌شود.       

پوشش‌دهی هسته نقاط کوانتومی با سولفید روی (ZnS) باعث پایداری بیشتر آن‌ها در برابر نور، افزایش لومینسانس و بهبود عملکرد و بازدهی این نقاط می‌شود. البته پوشش‌دهی هسته با سولفید روی، به‌تنهایی برای پایداری نقاط کوانتومی به‌ویژه در کاربردهای بیولوژیکی کافی نیست. برای افزایش سازگاری نقاط کوانتومی با محیط‌های زیستی، این نقاط باید با موادی مانند پلی‌اتیلن گلیکول پوشش داده شوند تا پایداری آن‌ها افزایش یابد.

 


چندرسانه‌ای 3: آشنایی با پدیده چشمک‌زنی نقاط کوانتومی.

 

یکی دیگر از چالش‌های مهم در ارتباط با کاربرد نقاط کوانتومی در محیط‌های بیولوژیکی، مقدار حلالیت آن‌ها در حلال‌های آبی است. انحلال نقاط کوانتومی در حلال‌های معدنی آب‌گریز به‌راحتی انجام می‌گیرد. یکی از راه‌کارهای مؤثر برای بهبود حلالیت این نقاط در محیط‌های آبی، تغییر شیمی سطح آن‌ها است.

 

4- سمیت نقاط کوانتومی
پژوهش‌های انجام شده در خارج از بدن موجودات زنده (in vitro) نشان‌دهنده سمیت نقاط کوانتومی است؛ به‌این معنا که حضور نقاط کوانتومی در مجاورت سلول‌ها باعث مرگ یا اختلال در عملکرد طبیعی آن‌ها می‌شود. مقدار سمیت این نقاط به پارامترهای مختلفی مانند اندازه، مقدار، شیمی سطح و عناصر سازنده هسته نقاط و جنس ماده پوشاننده سطح آن‌ها بستگی دارد. سه مکانیزم‌ مختلف برای نحوه تأثیر نقاط کوانتومی روی سلول‌های زنده پیشنهاد شده است که عبارتند از:

· آزاد شدن کادمیوم موجود در ساختار هسته نقاط کوانتومی. هسته نقاط کوانتومی معمولاً از ترکیباتی مانند کادمیوم‌تلورید (CdTe) و کادمیوم‌سلنید (CdSe) سنتز می‌شود.  

· تولید رادیکال‌های اکسیژن.

· برهم‌کنش نقاط کوانتومی با اجزای داخل سلولی.

آن دسته از نقاط کوانتومی که هسته آن‌ها از عناصر گروه‌های سه تا پنج تشکیل می‌شوند، دارای پایداری بیشتر و سمیت کمتر نسبت به نقاط کوانتومی سنتز شده از عناصر گروه‌های دو تا شش هستند. دلیل این پدیده، تفاوت در نوع پیوند آن‌‌ها است؛ به‌طوری‌که پیوند بین اجزا در نقاط کوانتومی سنتز شده از عناصر گروه‌های سه تا پنج، کوالانسی و در سایر نقاط کوانتومی، یونی است. البته علی‌رغم سمیت کمتر، سنتز نقاط کوانتومی که هسته آن‌ها از عناصر گروه‌های سه تا پنج تشکیل شده دشوارتر و زمان‌گیرتر بوده و این دسته از نقاط کوانتومی کارآیی کمتری نسبت به سایر نقاط دارند.

 

5- کاربرد نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی دارای کاربردهای گسترده و جدیدی هستند. تعدادی از این کاربردها عبارتنداز:

  • کاربردهای بیولوژیکی
  • سلول‌های خورشیدی
  • ابزارهای اپتوالکترونیک
  • کاربردهای فوتوکاتالیستی.

 

1-5- کاربردهای بیولوژیکی 
امروزه عکس‌برداری و تجزیه ترکیبات زیستی از اصلی‌ترین کاربردهای نقاط کوانتومی و یکی از برجسته‌ترین پیشرفت‌های دهه اخیر علم به‌شمار می‌رود. مهم‌ترین دلایل برتری استفاده از نقاط کوانتومی نسبت به رنگ‌های متداول آلی (درخشندگی بالاتر و پایداری بیشتر)، در بخش‌های قبلی مورد بررسی قرار گرفت. نقاط کوانتومی 20 برابر درخشنده‌تر و 100 برابر پایدارتر از رنگ‌های آلی هستند. شکل 7 تصویر گرفته شده از بافت بدن موجود زنده با استفاده از نقاط کوانتومی را نشان می‌دهد.

 

شکل 7- تصویر گرفته شده از بافت بدن موجود زنده با استفاده از نقاط کوانتومی.

 

ردیابی سلول‌ها یا مولکول‌های زیستی، یکی دیگر از کاربردهای بیولوژیکی نقاط کوانتومی به‌شمار می‌رود. برای ردیابی سلول‌ها، آن‌ها را با استفاده از نقاط کوانتومی نشانه‌گذاری می‌کنند. در چنین شرایطی، سلول‌ها یا مولکول‌های زیستی هم‌چون پادتن (آنتی‌بادی) به نقاط کوانتومی متصل می‌شوند. اتصال پادتن‌های چسبیده به سطح نقاط کوانتومی با آنتی‌ژن‌های (antigen) متصل به سطح سلول‌ها یا پروتئین‌های مورد نظر باعث انتشار نور از نقاط کوانتومی می‌شود. بنابراین، درصورتی‌که سلول یا پروتئین هدف حضور نداشته باشد، انتشاری هم رخ نمی‌دهد. استفاده از نقاط کوانتومی امکان ردیابی نوری سلول‌ها یا مولکول‌های زیستی مورد نظر را در مدت زمان‌های طولانی فراهم می‌کند. بنابراین، از نقاط کوانتومی در شناسایی تومورهای سرطانی استفاده می‌شود.

سمیت نقاط کوانتومی با قرار گرفتن در معرض تابش پرتو فرابنفش شدیدتر می‌شود که این موضوع باعث محدودیت کاربرد این ترکیبات در محیط‌های بیولوژیکی می‌شود. به‌عنوان مثال، نقاط کوانتومی سنتز شده از کادمیوم سلنید با قرار گرفتن در معرض تابش پرتو فرابنفش به‌شدت سمی می‌شوند. دلیل سمیت شدید نقاط کوانتومی سنتز شده از کادمیوم سلنید با تابش فرابنفش، قرارگرفتن انرژی نور فرابنفش در محدوده انرژی پیوند کادمیوم و سلنیم است که منجر به آزادسازی یون کادمیوم به درون محیط سلولی می‌شود. یکی از راه‌کارهای کاهش یا حذف سمیت نقاط کوانتومی، پوشش‌دهی این نقاط با مواد پلیمری و عدم استفاده از پرتو فرابنفش است.

 

2-5- کاربردهای فوتوکاتالیستی
در سال‌های اخیر، فرآیندهای فوتوکاتالیستی به عنوان یک روش سنتز دوستدار محیط زیست به سرعت توسعه یافته‌اند. فوتوکاتالیست‌ به کاتالیزورهایی گفته می‌شود که در حضور نور فعال می‌شوند. فوتوکاتالیست‌ها معمولاً اکسیدهای جامد نیمه‌رسانایی هستند که با جذب فوتون‌ها یک جفت الکترون-حفره در آن‌ها فعال می‌شود. جفت‌های الکترون-حفره‌ می‌توانند با مولکول‌های موجود در سطح واکنش دهند.

سنتز مواد آلی یکی از کاربردهای فوتوکاتالیست‌ها است. طول موج کوتاه نور مرئی و انرژی بالای UV در نور خورشید ممکن است به‌طور نامناسبی باعث آسیب دیدن مواد آلی سنتز شده شود. با بهره‌گیری از نقاط کوانتومی کربنی در فوتوکاتالیست‌ها، امکان سنتز موفقیت‌آمیز مواد آلی به دلیل ویژگی‌های این نقاط مانند قابلیت مهار کردن نور با طول موج گسترده و توانایی تبادل انرژی با گونه‌های محلول وجود دارد. استفاده از نقاط کوانتومی کربنی منجر به تبدیل نور مرئی به طول موج کوتاه‌تر شده و درنتیجه باعث تهییج TiO2 برای تشکیل جفت الکترون-حفره می‌شود. علاوه بر این، استفاده از نانوکامپوزیت نقاط کوانتومی کربنی-تیتانیوم‌دی‌اکسید باعث تسهیل انتقال الکترون‌ها از TiO2 می‌شود. هم‌چنین، الکترون‌ها می‌توانند آزادانه در طول مسیرهای رسانش رفت و آمد کرده و باعث جدایش بارها، پایداری و ممانعت از ترکیب مجدد بارها شوند. در نهایت حفراتی با طول عمر زیاد در سطح TiO2 تولید شده و خواص فوتوکاتالیستی افزایش می‌یابد. شکل 8 شمایی از مکانیزم کاتالیستی نانوکامپوزیت نقاط کوانتومی کربنی-تیتانیوم‌دی‌اکسید تحت تابش نور مرئی را نشان می‌دهد.  

 

شکل 8- شمایی از مکانیزم کاتالیستی نانوکامپوزیت نقاط کوانتومی کربنی-تیتانیوم‌دی‌اکسید تحت تابش نور مرئی.

 

نتیجه‌گیری
نقاط کوانتومی، به بلورهای نیمه‌هادی در ابعاد نانو (10-1 نانومتر) اطلاق می‌شود. این نانوساختارها شامل 200 تا 10000 اتم تشکیل بوده و اندازه آن‌ها تقریباً برابر با اندازه یک پروتئین درشت است. در این مقاله به معرفی نقاط کوانتومی، خواص نوری آن‌ها و هم‌چنین انواع روش‌های سنتز، شیمی سطح نقاط کوانتومی، سمیت و کاربردهای این نقاط پرداخته شد. گفته شد که ساختار نقاط کوانتومی معمولاً به‌صورت پوسته-هسته بوده و هر دو هسته و پوسته از ترکیبات نیمه‌هادی تشکیل می‌شوند. مکانیزم هدایت در مواد نیمه‌هادی به این صورت است که الکترون‌های موجود در لایه ظرفیت، با جذب انرژی به لایه هدایت منتقل می‌شوند. در این شرایط یک حفره در لایه ظرفیت (به‌جای الکترون کنده شده) و یک الکترون در لایه هدایت به‌وجود می‌آید که به آن زوج الکترون-حفره گفته می‌شود. تأکید شد که مقدار انرژی نوار ممنوعه در نقاط کوانتومی بستگی شدیدی به جنس و اندازه ترکیب این نقاط دارد. هرچه اندازه نقاط کوانتومی کوچک‌تر شود، انرژی نوار ممنوعه آن‌ها بزرگ‌تر می‌شود. گفته شد که در صورتی‌که مقدار انرژی لازم برای انتقال الکترون از لایه ظرفیت به لایه هدایت در گستره ناحیه مرئی قرار بگیرد، نقاط کوانتومی بسته به اندازه‌ خود، رنگ‌های مختلفی را در محلول از خود ساطع می‌کنند. اشاره شد که برخلاف رنگ‌های آلی و فلوروفورها، پهنای طیف برانگیختگی نقاط کوانتومی زیاد است؛ بنابراین امکان تحریک آن‌ها با استفاده از گستره وسیعی از طول موج‌های مختلف وجود دارد. هم‌چنین، پهنای طیف نشری در نقاط کوانتومی باریک است. بنابراین می‌توان تنها با کنترل اندازه و ترکیب نانوذره و پوشش سطحی آن، طول موج طیف نشری در نقاط کوانتومی را در گستره وسیعی از طول موج‌ها کنترل کرد. تأکید شد که پایداری بالای نقاط کوانتومی در معرض نور باعث استفاده گسترده از آن‌ها به‌عنوان نشان‌گر شده است؛ به‌طوری‌که امکان ردیابی سیگنال فلورسانس حاصل از این نقاط برای مدت زمان‌های طولانی وجود دارد. نقاط کوانتومی سنتز شده بدون پوسته و ماده‌ پوشاننده، غیرقابل استفاده خواهند بود. گفته شد که پژوهش‌های انجام شده در خارج از بدن موجودات زنده نشان‌دهنده سمیت نقاط کوانتومی است؛ به‌این معنا که حضور نقاط کوانتومی در مجاورت سلول‌ها باعث مرگ یا اختلال در عملکرد طبیعی آن‌ها می‌شود. یکی از راهکارهای کاهش یا حذف سمیت نقاط کوانتومی، پوشش‌دهی این نقاط با مواد پلیمری و عدم استفاده از پرتو فرابنفش است. اشاره شد که نقاط کوانتومی دارای کاربردهای گسترده و جدیدی مانند کاربردهای بیولوژیکی، سلول‌های خورشیدی، ابزارهای اپتوالکترونیک و کاربردهای فوتوکاتالیستی هستند.

 

پیوست‌ها

پیوست 1

فلوروفور یک ترکیب شیمیایی فلورسانس است که توانایی تابش مجدد نور، به‌محض تهییج نور را دارد. فلوروفورها معمولاً دارای ترکیبی از چندین گروه آروماتیک یا مولکول‌ها سیکلی با تعدادی پیوند هستند.

در علم شیمی و مهندسی پلیمر، به ترکیبات ناجورحلقه که حداقل دارای یک کاتیون فلزی یا یون هیدروژن باشد، چنگاله یا کی‌لیت گفته می‌شود. در حقیقت، چنگاله به فرآیندی گفته می‌شود که در آن یک ترکیب شیمیایی با یک یون فلزی ترکیب شده و آن را نگه دارد.

 

منابـــع و مراجــــع

Lim, Shi Ying, Wei Shen, and Zhiqiang Gao. "Carbon quantum dots and their applications." Chemical Society Reviews 44, no. 1 (2015): 362-381.

Biju, Vasudevanpillai, Tamitake Itoh, Abdulaziz Anas, Athiyanathil Sujith, and Mitsuru Ishikawa. "Semiconductor quantum dots and metal nanoparticles: syntheses, optical properties, and biological applications." Analytical and bioanalytical chemistry 391, no. 7 (2008): 2469-2495.

Lu, Chaoyu, Xueming Li, Libin Tang, Sin Ki Lai, Lukas Rogée, Kar Seng Teng, Fuli Qian, Liangliang Zhou, and Shu Ping Lau. "Tellurium quantum dots: Preparation and optical properties." Applied Physics Letters 111, no. 6 (2017): 063112.

Selvan, S. Tamil, Timothy T. Tan, and Jackie Y. Ying. "Robust, non‐cytotoxic, silica‐coated CdSe quantum dots with efficient photoluminescence." Advanced Materials 17, no. 13 (2005): 1620-1625.

Gill, Ron, Maya Zayats, and Itamar Willner. "Semiconductor quantum dots for bioanalysis." Angewandte Chemie International Edition 47, no. 40 (2008): 7602-7625.

] Jamieson, Timothy, Raheleh Bakhshi, Daniela Petrova, Rachael Pocock, Mo Imani, and Alexander M. Seifalian. "Biological applications of quantum dots." Biomaterials 28, no. 31 (2007): 4717-4732.

Medintz, Igor L., H. Tetsuo Uyeda, Ellen R. Goldman, and Hedi Mattoussi. "Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing." Nature materials 4, no. 6 (2005): 435.