نخستین چراغ ال ای دی کوانتومی دنیا با سبوس برنج! - دیتاپد

نقاط کوانتومی، از تلویزیون ها و سلول های خورشیدی گرفته تا درمان های پیشرفته سرطان، پتانسیل منحصربه فرد خود را در بسیاری از زمینه ها نشان می دهند، اما فراوری آن ها در مقیاس انبوه با برخی از مسائل مربوط به محیط زیست مرتبط است.

اکنون دانشمندان دانشگاه هیروشیما در ژاپن با استفاده از پوسته برنج دور ریخته شده برای فراوری اولین نور ال ای دی نقطه کوانتومی سیلیکونی دنیا، جهت سبزتری را در این زمینه نشان داده اند.

نقاط کوانتومی (QDs) نیمه هادی های کوچک و با مقدار زیر 10 نانومتر هستند و دارای خواص الکترونیکی هستند که به علت مکانیک کوانتومی با ذرات بزرگ تر تفاوت دارند. آن ها موضوعی اصلی برای فناوری نانو هستند. هنگامی که نقاط کوانتومی به وسیله نور فرابنفش روشن می شوند، یک الکترون در نقطه کوانتومی می تواند در حالت انرژی بالاتر برانگیخته گردد. در خصوص نقطه کوانتومی، این فرآیند مربوط به انتقال یک الکترون از باند ظرفیت به باند رسانش است. الکترون برانگیخته می تواند به نوار ظرفیت بازگردد و انرژی خود را با انتشار نور آزاد کند که رنگ آن نور به اختلاف انرژی بین باند رسانش و باند ظرفیت بستگی دارد.

به زبان علم مواد، مواد نیمه هادی نانو مقیاس محکم یا الکترون ها یا سوراخ های الکترونی را محکم بسته اند. نقاط کوانتومی برخی اوقات به اتم های غیر مصنوعی گفته می گردد و بر تکین بودن آنها، داشتن حالت های الکترونیکی محدود، مانند مواد اتمی یا مولکول های طبیعی تأکید می گردد. نشان داده شده است که موج الکترونیکی توابع کوانتومی را با اتم های واقعی شباهت می دهد. با اتصال دو یا چند نقطه کوانتومی، می توان یک مولکول مصنوعی ساخت.

نقاط کوانتومی دارای خواص واسطه ای بین نیمه هادی های فله و اتم ها یا مولکول های گسسته هستند. ویژگی های انتخابی آن ها به عنوان تابعی از مقدار و شکل تغییر می نماید. نقاط کوانتومی بزرگتر با قطر پنج تا شش نانومتر از طول موج های طولانی تر با رنگ هایی مانند نارنجی یا قرمز ساطع می نمایند. نقاط کوانتومی کوچک تر از طول موج کوتاه تر ساطع می شوند و رنگ هایی مانند آبی و سبز به همراه می آورند. با این حال، رنگ های خاص بسته به ترکیب دقیق نقاط کوانتومی فرق دارد.

کاربرد های بالقوه نقاط کوانتومی شامل ترانزیستور های تک الکترونی، سلول های خورشیدی، ال ای دی، لیزرها، منابع تک فوتونی، نسل دوم هارمونیک، محاسبات کوانتومی و تصویربرداری پزشکی است. مقدار کوچک آن ها اجازه می دهد تا برخی نقاط کوانتومی در محلول به حالت تعلیق درآیند که ممکن است منجر به استفاده در چاپ جوهر افشان و پوشش اسپین گردد.

کن-ایچی سایتو نویسنده اصلی این مطالعه و استاد شیمی در دانشگاه هیروشیما می گوید: از آنجایی که نقاط کوانتومی معمولی اغلب حاوی مواد سمی مانند کادمیوم، سرب یا سایر فلزات سنگین هستند، نگرانی های زیست محیطی اغلب هنگام استفاده از نانومواد مورد آنالیز می گیرند. در حالی که فرآیند پیشنهادی ما و روش ساخت نقاط کوانتومی این نگرانی ها را به حداقل می رساند.

نوع نقاط کوانتومی که سایتو و تیمش دنبال می نمایند، نقاط کوانتومی سیلیکونی هستند که از فلزات سنگین دوری می نمایند و مزایای دیگری نیز دارند. پایداری و دمای عملیاتی بالاتر، آن ها را به یکی از نامزد های پیشرو برای استفاده در محاسبات کوانتومی تبدیل می نماید، در حالی که ماهیت غیر سمی شان، آن ها را برای استفاده در کاربرد های پزشکی مناسب می نماید.

این مطالعه در پی ایجاد نوع تازهی از نقطه کوانتومی سیلیکونی است که از مواد زائد (سبوس برنج) استفاده می نماید، مواد زائد و دورریزی که سالیانه منجر به فراوری حدود 100 میلیون تن ضایعات پوسته برنج در سطح دنیا می گردد.

این پوسته های برنج در واقع یک منبع عالی از سیلیکون هستند که دانشمندان توانستند به لطف یک روش پردازش تازه از آن بهره ببرند. روش آن ها شامل آسیاب کردن پوسته برنج و سوزاندن ترکیبات آلی برای استخراج پودر سیلیس است که سپس در یک کوره گرم می گردد. سپس ذرات پودر سیلیس خالص شده کوچک تر می شوند و به حلال اضافه می شوند تا سطح آن ها از نظر شیمیایی فعال گردد. محصول نهایی، نقاط کوانتومی سیلیکونی به مقدار سه نانومتر است که در محدوده نارنجی-قرمز درخشندگی دارند.

سپس لایه ای از این نقاط کوانتومی سیلیکونی با لایه های مواد دیگر از جمله یک زیرلایه شیشه ای حاوی ایندیم-قلع-اکسید به عنوان آند و یک لایه آلومینیومی برای عمل به عنوان کاتد و تشکیل یک LED ترکیب شد.

سایتو می گوید: این اولین تحقیقی است که از پوسته های دورریز برنج یک LED ایجاد می نماید.

اکنون دانشمندان امیدوارند که عملکرد این ال ای دی ها را بهبود بخشند تا آن ها را به طور موثرتری درخشنده نمایند و نسخه هایی را در رنگ هایی غیر از نارنجی-قرمز توسعه دهند.

آن ها بعلاوه تصور می نمایند که این تکنیک برای استفاده از سایر ضایعات گیاهی مانند گندم، جو و علوفه قابل اقتباس باشد.

این مطالعه در مجله ACS Sustainable Chemistry & Engineering منتشر شده است.