بناء تقنيات التصوير الجيل التالي باستخدام النقاط الكمومية تحت الحمراء

تقنية النقاط الكمومية (QD) تُحدث تحولًا في صناعات الإضاءة والعرض. تُعد نقطة حديث شائعة في مجال النانوتكنولوجيا وعلوم المواد، فهذه البلورات النانوية شبه الموصلة هي جسيمات شبه موصلة صغيرة جدًا، بحجم بضعة نانومترات فقط. 

خصائصها الإلكترونية والبصرية تقع بين الذرات المنفصلة الضخمة وأشباه الموصلات. تعتمد هذه الخصائص في الواقع على كل من حجم وشكل هذه النقاط الكمومية. على سبيل المثال، النقاط الكمومية الأكبر بحجم 5–6 نانومتر تُصدر أطوال موجية أطول مقارنةً بالأطوال الموجية الأقصر التي تُصدرها النقاط الكمومية الأصغر بحجم 2–3 نانومتر. كما أن النقاط الكمومية الأكبر تُنتج ألوانًا برتقالية أو حمراء، بينما تُنتج الأصغر ألوانًا زرقاء وخضراء. ومع ذلك، فإن خصوصية هذه الألوان تعتمد على تركيبة النقاط الكمومية. 

النقاط الكمومية هي مواد شبه موصلية نانوية ذات إلكترونات أو فجوات إلكترونية محصورة بإحكام، تشبه نموذج الجسيم ثلاثي الأبعاد داخل صندوق. من خلال ربط نقطتين كموميتين أو أكثر، يمكن أيضًا إنشاء جزيء اصطناعي. في الوقت نفسه، يمكن لتجميعها بدقة أن يُشكل سوبرلاتيس تعمل كمواد صلبة اصطناعية ذات خصائص بصرية وإلكترونية فريدة يمكن التحكم فيها. 

في العام الماضي فقط، مُنح موونجي ج. باويندي، أليكسي إ. إكيموف، ولويس إ. بروس جائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافهم وتطويرهم للنقاط الكمومية. ومع ذلك، فإن النقاط الكمومية ليست حديثة كالتقنية. فقد تم اكتشافها لأول مرة قبل عدة عقود، في عام 1980، ومنذ ذلك الحين تُستخدم النقاط الكمومية في شاشات LCD كفوسفاتات عن بُعد.

التطبيقات المحتملة للنقاط الكمومية لا تقتصر على الشاشات فقط. بل تمتد أيضًا إلى الصمامات الثنائية المضيئة (LEDs)، والليزر، والخلايا الشمسية، ومصادر الفوتون الواحد، وترانزستورات الإلكترون الواحد، والمجهرية، والتصوير الحيوي، وأبحاث علم الخلية، وتحفيز التفاعلات الكيميائية. 

بدافع الطلب المتزايد على حلول الإضاءة الموفرة للطاقة وأجهزة العرض عالية الجودة عبر مختلف الصناعات، من المتوقع أن يشهد سوق النقاط الكمومية نموًا ملحوظًا بمعدل نمو سنوي مركب قدره 17.40٪ في السنوات القادمة. من المتوقع أن يصل حجم السوق العالمي للنقاط الكمومية إلى 12.34 مليار دولار قبل نهاية هذا العقد. 

نظرًا لتطبيقاتها الواسعة والنمو المتوقع لحجم السوق، أصبحت النقاط الكمومية موضوعًا للعديد من الأبحاث والتجارب. ومع ذلك، كان التركيز الرئيسي على الطيف المرئي. وهذا يعني أن هناك الكثير لاكتشافه حول التقنية في نطاقي الأشعة فوق البنفسجية وتحت الحمراء.

تقنية تحت الحمراء لديها العديد من حالات الاستخدام، لذا هناك طلب متزايد على مواد إلكترونية بصرية ذات تكلفة منخفضة، وسهلة التطوير، وسهلة الاستخدام، قابلة للتعديل ونشطة تحت الحمراء. وقد أدى ذلك إلى تطوير النقاط الكمومية تحت الحمراء. بفضل تأثير الحجز الكمومي، يمكن تعديل فجوات الطاقة للنقاط الكمومية تحت الحمراء حسب الحاجة ببساطة عبر قيود الأبعاد.

التقدم في تطوير النقاط الكمومية تحت الحمراء كمواد ماصة للأشعة تحت الحمراء، مثل في الوقود الشمسي والخلايا الضوئية، ومُصدِرات الضوء تحت الحمراء، مثل في التصوير الحيوي والصمامات الثنائية المضيئة، يُسهل دمج النقاط الكمومية في التطبيقات الناشئة.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل خمس شركات تقود تطوير النانوتكنولوجيا. 

تطوير بلورات نانوية عالية الجودة

الآن، قام أندرو سميث، أستاذ الهندسة الحيوية في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين، والباحث ما بعد الدكتوراه وونسوك لي بتطوير منتجات بلورات نانوية عالية الجودة جديدة.

نُشر في مجلة Nature Synthesis وممولًا من قبل المعاهد الوطنية للصحة والمؤسسة الوطنية للعلوم، وكان البحث هو الحالة الأولى التي تُظهر فيها النقاط الكمومية تحت الحمراء معايير جودة مماثلة لتلك في طيف الضوء المرئي.

حتى بعد ما يقرب من نصف قرن من وجود تقنية البلورات النانوية، لم نشهد سوى تقدم في البلورات النانوية التي تعمل في الجزء المرئي من الطيف. وهذا منطقي، نظرًا لأنها تشكل “جزءًا كبيرًا من أجهزة العرض”.

كما شارك سميث، الجزء الأكبر من أي تقنية هو الإشعاع الضوئي أو الامتصاص. لذا، كان التركيز على تطوير تقنية ذات أكبر سوق اليوم.

لكن هذا ليس كل شيء. إلى جانب الطلب العالي على البلورات النانوية في الطيف المرئي، فإن كيمياء المواد المستخدمة في تحت الحمراء أصعب أيضًا. وهذا يشمل طاقة أقل وأطوال موجية أطول مقارنةً بالضوء في الطيف المرئي. 

الآن، تحقيق الإشعاع الضوئي والامتصاص في تحت الحمراء يتطلب عناصر أثقل تكون كيمياؤها صعبة. وهذا يعني تفاعلات أقل توقعًا ومزيدًا من التفاعلات الجانبية غير المرغوبة.

هذا ليس النهاية حتى. فهذه العناصر الأثقل عرضة للتدهور أكثر. كما أنها حساسة لتغيرات البيئة المحيطة، مثل الماء.

عندما يتعلق الأمر ببلورات النقط الكمومية، يمكن تصنيعها من أشباه موصلات عنصرية، مثل السيليكون، أو يمكن تصنيعها من عنصرين (ثنائية) أو ثلاثة عناصر (ثلاثية). من خلال خلط عنصرين معًا، يمكن تحقيق عدة خصائص مختلفة، ومن خلال دمج ثلاثة عناصر، يمكن تحقيق المزيد من الخصائص.

في المؤسسة الرائدة ضمن نظام جامعة إلينوي، ركز الباحثون على نوع واحد فقط من العناصر، التي يعتقدون أنها قد تكون المادة ‘المثالية’ للتصنيع. المادة هنا هي سيلينيد الزئبق والكادميوم. وفقًا لسميث:

“يمكنك أساسًا الحصول على أي خاصية تريدها عن طريق تغيير نسبة ذرات الكادميوم والزئبق. يمكنها تغطية هذا النطاق الضخم من الطيف الكهرومغناطيسي—من تحت الحمراء بالكامل إلى الطيف المرئي بالكامل—وتحصل على العديد من الخصائص.”

استخدام النقاط الكمومية المطورة مسبقًا 

تطوير نقاط كمومية تحت الحمراء عالية الجودة كان في الواقع عملية استغرقت سنوات. لفترة طويلة، حاولت المجتمع البحثي تحقيق ذلك، وكان سميث نفسه مشاركًا منذ دراسته العليا. لكن لم ينجح أي من الجهود حتى الآن.

أخيرًا، تمكن الباحثون من جامعة إلينوي من صنع مادة جديدة. حققوا ذلك بأخذ شيء كان قد تم تحسينه بالفعل. لذا، أخذوا ما يُعتبر الأكثر تطورًا من النقاط الكمومية واستخدموه كما وصفه سميث بـ ‘قالب تضحية’.

سيلينيد الكادميوم (CdSe) هو مركب غير عضوي يُصنف كشبكة شبه موصل من النوع II-VI من النوع n. وهو شفاف للضوء تحت الحمراء (IR) ومضيء للغاية، لكنه استخدم محدودًا في المقاومات الضوئية.

كما أشار البحث، تم تحسين بلورات نانوية شبه موصلية كولودية قائمة على CdSe بدقة لتطبيقات فوتونية في الطيف المرئي. المنتجات الحديثة تُظهر فعليًا تجانسًا هيكليًا مع عائد كمومي يقارب مئة بالمئة.

الآن، استبدل الفريق سيلينيد الكادميوم واستبدل ذرات الكادميوم (Cd) بذرات الزئبق (Hg). فورًا، حول هذا كل شيء إلى طيف تحت الحمراء مع الحفاظ على جميع الخصائص المطلوبة، بما في ذلك الإشعاع الضوئي القوي والامتصاص الضوئي القوي.

من أجل تحقيق ذلك، اضطر الباحثون إلى التخلي عن الطريقة التقليدية لتصنيع البلورات النانوية. الطريقة التقليدية تتضمن أولاً خلط العناصر السلفية، ثم تحت الظروف المناسبة، تتحلل إلى بنية البلورة النانوية المطلوبة.

ومع ذلك، لم تُظهر أي ظروف نجاحًا مع السيلينيد، الزئبق، والكادميوم. لذا، طور الباحث ما بعد الدكتوراه لي طريقة جديدة تسمى تبادل الكاتيون المعزز بالانتشار الداخلي.

في هذه العملية، أضاف الفريق الفضة كالعنصر الرابع، مما يضيف عيوبًا للمادة. هذا، بحسب سميث، تسبب في “خلط كل شيء معًا بشكل متجانس. وهذا حل المشكلة بأكملها.”

في النهاية، طور الفريق بلورات نانوية من سيلينيد الزئبق (HgSe) وسيلينيد الزئبق والكادميوم (HgCdSe) التي تُصدر وتمتص في طيف تحت الحمراء. تم تطويرها من سلفيات CdSe في الطيف المرئي، والتي هي بالفعل متطورة جيدًا، وحافظت المواد الجديدة على السمات المطلوبة، بما في ذلك الشكل والحجم وتجانس بلورات سيلينيد الكادميوم، مع تحسين الامتصاص.

هذه البلورات النانوية المتجانسة، HgSe وسبائك HgxCd1−xSe، لديها أيضًا فجوات طاقة قابلة للتعديل في طيف تحت الحمراء. وفقًا للبحث، “بعد التغطية بأغلفة CdZnS هيتروإبيتيك، يمكن تعديل أطوال موجات الفوتولومنيسنس في تحت الحمراء القصيرة الموجة عبر التركيب دون تغيير الحجم، مع عائد كمومي يتراوح بين 80–91٪ وعرض خطوط قريب من 100 meV.”

التطبيقات المحتملة للنقاط الكمومية تحت الحمراء 

الحجم الفريد للنقاط الكمومية الصغيرة، إلى جانب خصائصها الإلكترونية القابلة للتعديل، يجعل النقاط الكمومية جذابة جدًا للتقنيات الجديدة ومجموعة متنوعة من التطبيقات.

نظرًا لقدرتها على إصدار طيف من الألوان الزاهية والنقية، فإن معامل الامتصاص العالي والكفاءات المرتفعة تجعل النقاط الكمومية ذات أهمية خاصة للتطبيقات البصرية، مثل أضواء الصمامات الثنائية المضيئة (LED)، والشاشات، والخلايا الضوئية. عند استخدامها في تطوير شاشات عرض متقدمة، تحسن التقنية دقة الألوان والسطوع.

الأمن والمراقبة هو قطاع آخر يمكن أن تعزز فيه النقاط الكمومية قدرات الرؤية الليلية وتساعد في تحديد الأفراد أو الأشياء في بيئات مظلمة أو محجوبة. في صناعة السيارات، يمكن أن يساعد ذلك في تحسين أنظمة مساعدة السائق وتعزيز سلامة القيادة الليلية. كما يمكنها أيضًا اكتشاف الملوثات في البيئة والملوثات في مصادر المياه.

نظرًا لصغر حجم النقاط الكمومية، مما يعني أيضًا أن لديها كثافة حالة أكثر حدة مقارنةً بالهياكل ذات الأبعاد الأعلى، لا تحتاج الإلكترونات إلى السفر بعيدًا، مما يترجم إلى أجهزة إلكترونية يمكنها العمل بسرعة أكبر. هذه الخصائص الإلكترونية الفريدة مفيدة بشكل خاص للخلايا الشمسية، والترانزستورات، والحوسبة الكمومية، والمفاتيح البصرية الفائقة السرعة والبوابات المنطقية.

الصغر في حجم النقاط الكمومية يجعلها مناسبة لتطبيقات طبية حيوية مختلفة مثل المستشعرات الحيوية والتصوير الطبي. على عكس المستشعرات الحيوية القائمة على الفلورة، فإن المستشعرات القائمة على النقاط الكمومية يمكنها إصدار طيف كامل من الضوء الساطع مع تحلل قليل مع مرور الوقت. هذا يجعلها مفيدة جدًا في التطبيقات الطبية الحيوية.

وفقًا للبحث، قد تؤدي المواد الجديدة، سيلينيد الزئبق (HgSe) وسيلينيد الزئبق والكادميوم (HgCdSe) إلى تقنيات تصوير الجيل التالي.

يمكن للنقاط الكمومية تحت الحمراء إحداث ثورة في عدة صناعات من خلال تمكين تطوير تقنيات تصوير الجيل التالي. على سبيل المثال، في التصوير الطبي، يمكن استخدام النقاط الكمومية تحت الحمراء لاكتشاف الأورام وخلايا السرطان مبكرًا، والمساعدة في تصوير الأنسجة والأعضاء غير الجراحي بصور أوضح وأكثر تفصيلاً، واستخدامها أثناء الجراحة لتحسين الدقة والنتائج.

في قطاع الرعاية الصحية، يمكن أيضًا استخدام النقاط الكمومية تحت الحمراء لتتبع الخلايا، وتصورها، ودراسة سلوك الجزيئات داخل الخلايا. كما أشار البحث، فإن الاستخدام الأكثر أهمية للنقاط الكمومية تحت الحمراء قد يكون كمجسات جزيئية.

معظم النقاط الكمومية تُصدر في الطيف المرئي، مما يتيح الكشف السطحي فقط. ومع ذلك، سيسمح الضوء تحت الحمراء بالتحقق من الأنسجة الأعمق. بهذه الطريقة، تسمح النقاط الكمومية التي تُصدر تحت الحمراء للباحثين برؤية تقريبًا بالكامل عبر، على سبيل المثال، فأر حي، والذي يُستخدم كنموذج قياسي لمعظم الأمراض، وتحديد مواقع جزيئات محددة في جميع أنحاء الجسم دون التضحية بالفئران.

كل هذه الاستخدامات تعني فهماً أفضل للعمليات البيولوجية، والجسم البشري، وآليات الأمراض، وبالتالي حلول ورعاية أكثر تخصيصًا وتحسينًا.

بالإضافة إلى كل ذلك، يمكن استخدام التصوير تحت الحمراء بالنقاط الكمومية لتحليل المواد والمكونات، وضمان جودة المنتجات في التصنيع، وتعزيز دقة التلسكوبات، ومساعدة في الملاحة وتشغيل المركبات الفضائية.

الشركات البارزة التي تعمل مع تقنيات التصوير والنقاط الكمومية تحت الحمراء

الآن، دعونا نلقي نظرة على الشركات الرائدة في تقدم تقنيات التصوير والعمل مع النقاط الكمومية:

#1. QD Vision

تُعرف هذه الشركة بتقنية النقاط الكمومية، خاصة في تطبيقات العرض والتصوير. شارك في تأسيسها موونجي باويندي قبل عقد من الزمن، الشركة تعمل على تجاريّة النقاط الكمومية عبر Color IQ.

في عام 2016، استحوذت سامسونج إلكترونيكس على حقوق ملكية QD Vision مقابل 70 مليون دولار، والتي شملت مئات البراءات. من خلال هذه الخطوة الاستراتيجية، كان الهدف دعم رؤية الشركة طويلة الأمد لشاشاتها وتلفزيونات QD وربما أعمال أخرى. في ذلك الوقت، صرحت سامسونج أن حقوق ملكية QD Vision ستصبح جزءًا من جهود البحث والتطوير في الشركة الكورية لتطوير تطبيقات متقدمة لتلفزيونات QD. تعد شاشات QLED من سامسونج بتقديم أداء لوني لا مثيل له وجودة صورة استثنائية، “مفتحةً بابًا جديدًا من الإمكانات للمستقبل”.

في الربع الأول من عام 2024، أبلغت سامسونج عن زيادة بنسبة 933٪ في أرباحها التشغيلية مقارنة بالربع الأول من 2023. تتوقع الشركة العملاقة زيادة بمقدار 15 مرة في الأرباح التشغيلية في الربع الثاني من 2024، مدفوعة بأسعار أشباه الموصلات بفضل طفرة الذكاء الاصطناعي. على الرغم من ذلك، فإن أسهم سامسونج (SMSN) تتداول عند 1,581 دولارًا، بارتفاع 5.54٪ منذ بداية العام. تدفع الشركة عائدًا على الأرباح بنسبة 1.69٪.

#2. Nanoco Group

مدرجة في بورصة لندن تحت رمز NANO، تتخصص Nanoco في تطوير وتصنيع النقاط الكمومية وغيرها من المواد النانوية. تُتداول بسعر 0.1949 دولار، وأسهمها انخفضت بنسبة 12.38٪ منذ بداية العام، مع ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة 0.06 ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة 3.32.

قامت الشركة مؤخرًا بإعادة شراء 330,133 من أسهمها العادية، والتي ستُلغى لتبقى 205,038,038 سهمًا عاديًا مُصدرة، خطوة تهدف إلى تعزيز قيمة المساهمين. خلال مكالمة أرباح الربع الثاني من 2024، تحدث الرئيس التنفيذي بريان تينر عن تلقي Nanoco وتنفيذ طلبين تجاريين للإنتاج. رغم أن الطلبات منخفضة الحجم، فإن ذلك يعني أن Nanoco تتحول فعليًا إلى شركة إنتاج فعلية و”تتوقع الطلب والحجم… أن يزداد مع مرور الوقت.” كما وقعت الشركة اتفاقيتين لتطوير مشترك مع عملاء عالميين تشملان مواد نانوية من الجيل الثاني لاستخدامها في الاستشعار تحت الحمراء.

تقنية Nanoco الأساسية تشمل نقاط CFQD® الكمومية، التي تتكون من جسيمات شبه موصلية فلورية ونقاط HEATWAVETM الكمومية التي صُممت خصيصًا للاستخدام في صناعة المستشعرات. بينما تُستخدم الأولى في تحويل لون OLED، وتحويل لون μLEDs، وعلامات الأمان البصرية، تُستخدم التقنية الأخيرة في التعرف على الوجه البيومتري، التشخيص البصري، الرؤية الليلية، قياس المسافات، وتطبيقات LiDAR.

أفكار ختامية 

كما رأينا، تعد تقنية النقاط الكمومية بمستقبل واعد من حيث التقدم عبر الصناعات. يواصل الباحثون حاليًا استكشاف النقاط الكمومية، مثل النقاط الكمومية تحت الحمراء، التي تمتلك تطبيقات فريدة، خاصة في التصوير الحيوي. مع استمرار نمو الطلب على النقاط الكمومية وزيادة حجم السوق، سنشهد مزيدًا من التطورات في مجال النقاط الكمومية، التي لديها القدرة على إحداث ثورة في المجالات الطبية، والطاقة، وأجهزة الاستشعار، والإلكترونيات الاستهلاكية.