الاستثمار في إنجازات جائزة نوبل – النقاط الكمومية والنانألوان

تاريخ جائزة نوبل

جائزة نوبل هي أكثر الجوائز مرموقة في العالم العلمي. تم إنشاؤها وفقًا وصية السيد ألفريد نوبل لتمنح جائزة “لمن، خلال العام السابق، قدموا أكبر فائدة للبشرية” في الفيزياء، الكيمياء، الفسيولوجيا أو الطب، الأدب، والسلام.

فيما بعد تم إنشاء جائزة سادسة للعلوم الاقتصادية من قبل البنك المركزي السويدي، وتسمى رسميًا جائزة العلوم الاقتصادية، وغالبًا ما تُعرف بجائزة نوبل في الاقتصاد.

قرار من سيُمنح الجائزة يعود إلى عدة مؤسسات أكاديمية سويدية.

القلق بشأن الإرث

جاء قرار إنشاء جائزة نوبل إلى ألفريد نوبل بعد أن قرأ نعيه الخاص، نتيجة خطأ من صحيفة فرنسية أساءت فهم خبر وفاة شقيقه. حملت المقالة العنوان “تاجر الموت مات”، وانتقدت نوبل لاختراعه للمتفجرات غير الدخانية، التي كان الديناميت هو الأكثر شهرة بينها.

كانت اختراعاته ذات تأثير كبير في تشكيل الحروب الحديثة، واشترى نوبل مصنعًا ضخمًا للحديد والصلب ليحوّله إلى مصنع أسلحة رئيسي. وبما أنه كان في البداية كيميائيًا ومهندسًا ومخترعًا، أدرك نوبل أنه لا يريد أن يُذكر إرثه كرجل جمع ثروة على حساب الحرب وموت الآخرين.

جائزة نوبل

في الوقت الحاضر، تُخزن ثروة نوبل في صندوق يُستثمر لتوليد الدخل لتمويل مؤسسة نوبل والميدالية الخضراء المطلية بالذهب، والشهادة، والجائزة المالية التي تبلغ 11 مليون كرونة سويدية (حوالي مليون دولار) التي تُمنح للفائزين.

المصدر: Britannica

غالبًا ما تُقسم أموال جائزة نوبل بين عدة فائزين، خاصة في المجالات العلمية حيث من الشائع أن يساهم شخصان أو ثلاثة رائدون معًا أو بشكل متوازي في اكتشاف رائد.

على مر السنين، أصبحت جائزة نوبل هي الجائزة العلمية، ساعية لتحقيق توازن بين الاكتشافات النظرية والعملية للغاية. لقد كافأت إنجازات بنت أسس العالم الحديث، مثل الإشعاعية، المضادات الحيوية، الأشعة السينية، أو تقنية تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR)، وكذلك العلوم الأساسية مثل مصدر طاقة الشمس، شحنة الإلكترون، التركيب الذري، أو السائل الفائق.

الألوان المجهرية

في الحياة اليومية، تمتلك الأشياء ألوانًا محددة بسبب خصائصها الجوهرية في كيفية تفاعلها مع الضوء. يحتوي ضوء الشمس على طيف من الألوان، وعندما يتم امتصاص بعض الألوان، ينتج عن ذلك ألوانًا منعكسة مختلفة.

المصدر: DataColors

هذه الآليات لا تعمل بنفس الطريقة على مقياس النانومتر. هنا، تؤثر التأثيرات الكمومية التي تغير طريقة ترتيب الإلكترونات حول نواة الذرة على امتصاص المادة للضوء. وبالتالي، يغيّر ذلك لونها.

وبشكل أكثر دقة، يستند ذلك إلى تطبيق معادلة شرودنجر، التي تتنبأ بسلوك الجسيمات على المستوى الكمومي، حيث تكون موجة وجسيمًا في آن واحد.

في عام 1937، توقع الفيزيائي هربرت فروهليخ أنه بفضل معادلة شرودنجر، ستتصرف الجسيمات النانوية بشكل مختلف عن الأكبر حجمًا. والأهم من ذلك، عندما تصبح الجسيمات صغيرة جدًا، يقل الفضاء المتاح لإلكترونات المادة، فتُضغط معًا.

نظرًا لأن تفاعل الضوء مع إلكترونات المادة يحدد لونها، توقع ذلك أن التأثيرات الكمومية قد تغير لون الجسيمات النانوية اعتمادًا على حجمها (وبالتالي على مدى “ضغط” إلكتروناتها).

الانتقال من النظريات في ثلاثينيات القرن الماضي إلى التطبيق العملي استغرق وقتًا، وتم تحقيقه فعليًا فقط في الثمانينيات والتسعينيات، بفضل ثلاثة علماء مختلفين جعلوا ذلك ممكنًا تدريجيًا.

في عام 2023، حصلوا جميعًا على جائزة نوبل في الكيمياء لعملهم الذي أدى إلى اكتشاف ما يُسمى بـ “النقاط الكمومية”.

المصدر: Nobel Prize

اليوم، تُستخدم النقاط الكمومية في الطب، والشاشات، وتصنيع QLED، ممثلةً سوقًا بقيمة 4 مليارات دولار في عام 2021.

قد تصبح حاسمة في العديد من التطبيقات الأخرى، من الكشف عن السرطان باستخدام النقاط الكمومية تحت الحمراء، إلى إنشاء أنظمة شمسية بانشروما أو خيارات جديدة في تصنيع الإلكترونيات باستخدام النانوفوتونات.

من الزجاج القديم إلى الفيزياء الكمومية

في العصر الحديث، أعاد العلماء اكتشاف شيء كان صانعو الزجاج يعرفونه منذ العصور القديمة: يمكن إنشاء زجاج ملون بألوان مختلفة بإضافة شوائب إلى الزجاج مثل الفضة، الذهب، والكادميوم.

والأكثر إثارةً، يمكن للعنصر المضاف نفسه أن يولد ألوانًا مختلفة اعتمادًا على طريقة تسخين وتبريد الزجاج.

أليكسي ييكيموف، الفائز الأول بهذه الجائزة، بدأ بتحليل الزجاج الملون باستخدام أداة تحليل ضوئي تُستخدم في صناعة أشباه الموصلات. باستخدام الأشعة السينية، وجد أن الزجاج المصبوغ بكلوريد النحاس المُنتج بأوقات تسخين مختلفة يحتوي على أحجام جسيمات نحاسية متفاوتة، من 2 نانومتر إلى 30 نانومتر.

كان الظاهرة المثيرة أن الجسيمات النحاسية الكبيرة تتصرف “بطريقة طبيعية”، بينما كلما صغر حجم الجسيمات، كلما امتصت الضوء الأزرق.

المصدر: Nobel Prize

لم تكن هذه هي المرة الأولى التي يُلاحظ فيها تأثير كمومي يعتمد على الحجم، لكن هذه كانت المرة الأولى التي يُنتج فيها باستخدام عملية تصنيع بسيطة نسبيًا، بدلاً من ظروف قصوى مثل الفراغ الفائق العالي ودرجات حرارة قريبة من الصفر المطلق.

نشر ييكيموف نتائجه في مجلة علمية سوفيتية، ولم تصل اكتشافاته إلى العلماء في الكتلة الغربية حتى سقوط الاتحاد السوفيتي. وبالتالي، كان العلماء الغربيون في الوقت نفسه يجرون اكتشافات ستؤدي إلى اختراع النقاط الكمومية.

جسيمات النقاط الكمومية المعلقة

في مختبرات بيل في الولايات المتحدة الأمريكية, حاضنة لما لا يقل عن 10 جوائز نوبل، درس لويس بروس كيفية استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج تفاعلات كيميائية. استخدم جسيمات كبريتيد الكادميوم في محلول وأنتج جسيمات صغيرة قدر الإمكان لتعظيم سطح التفاعل.

ما لاحظه هو أن امتصاص الضوء لهذه الجسيمات يتغير مع مرور الوقت. بعد التحقيق اكتشف أنها تنمو مع الوقت عن طريق تجميع جسيمات أصغر، متحولة من 4.5 نانومتر إلى 12.5 نانومتر.

الجسيم الأكبر يمتص الضوء بالطريقة المتوقعة لكبريتيد الكادميوم. لكن الجسيمات الأصغر كان لديها امتصاص يتحول نحو اللون الأزرق.

المصدر: Nobel Prize

كانت الجسيمات في معلق غرواني في سائل يستخدمه لويس بروس أكثر فائدة بكثير من تلك المحبوسة في الزجاج من ييكيموف، حيث يمكن إنتاجها وتكريرها على نطاق واسع بسهولة أكبر.

ومع ذلك، أثبتت طريقة الإنتاج عدم استقرارها. لم تكن أحجام الجسيمات النهائية قابلة للتنبؤ تقريبًا فحسب، بل احتوت المحاليل مزيجًا من أحجام متعددة.

بعيدًا عن كونه منتجًا نقيًا يمكن استخدامه في تقنيات أخرى وعلى نطاق صناعي، كان لا يزال في الغالب مجرد فضول علمي.

الإنتاج الضخم للنقاط الكمومية

كان موونجي باويندي طالبًا بعد الدكتوراه في مختبر لويس بروس عام 1988. هناك، جرب جميع المتغيرات الممكنة لإنشاء نقاط كمومية متسقة، مختبرًا تأثيرات المذيبات المختلفة، درجات الحرارة، والتقنيات. أحرز بعض التقدم لكنه لم يكن كافيًا للحصول على نتيجة ثابتة وقابلة للتكرار.

لاحقًا، أثناء عمله في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجد أخيرًا وصفة نجحت:

• قاموا بحقن المذيب بالكمية الدقيقة من المواد اللازمة لتشبع المحلول بدقة.
  • أدى ذلك إلى تكوّن “أجنة” بلورية صغيرة في نفس الوقت.
  • سمح الحقن البارد بإيقاف تكوّن البلورات فورًا.
• ثم رفعوا درجة الحرارة تدريجيًا، مما سمح بتكوّن بلورات أكبر تدريجيًا.
  • سمحت هذه الخطوة للمذيب بمنح البلورات سطحًا أملسًا ومتساويًا، مما يحسن الخصائص البصرية الناتجة.

المصدر: Nobel Prize

أدت هذه الطريقة إلى بلورة نقاط كمومية شبه مثالية. والأهم من ذلك، أنها كانت سهلة الاستخدام، بحيث يمكن للمزيد من الكيميائيين بدء إنتاج النقاط الكمومية واستكشاف التطبيقات المحتملة.

حالة جديدة ثورية للمادة

ما جعل النقاط الكمومية مبهرة هو أنها غيرت تمامًا طريقة استخدامنا لجدول العناصر الدوري.

في جدول مندليف الدوري، تُصنّف العناصر وفقًا لكتلتها الذرية وخصائصها الكيميائية. تُستمد هذه الخصائص في الغالب من سلوك سحب الإلكترونات حول نوى كل ذرة.

المصدر: Britannica

من خلال تعديل طريقة سلوك إلكترونات العنصر، وفرت النقاط الكمومية في الأساس بُعدًا جديدًا تمامًا لجدول العناصر الدوري. لذا فإن اكتشاف وإنتاج النقاط الكمومية على نطاق واسع يشبه اكتشاف مواد جديدة كليًا، بخصائص كهربائية وكيميائية جديدة.

هذا يذكر قليلًا بمواد أخرى ذات خصائص فريدة، مثل الأنابيب النانوية أو المصفوفات المتزايدة من المواد الثنائية الأبعاد التي قد تغير الحضارة مثل الجرافين، البوروفين، والذهبين.

المصدر: Ossila

تطبيقات النقاط الكمومية

QLED

إحدى أكبر التطبيقات الحالية للنقاط الكمومية هي تقنية QLED (الصمام الثنائي الباعث للضوء بالنقطة الكمومية).

فيها، تُحوّل النقاط الكمومية الضوء الأزرق إلى الأحمر أو الأخضر، مما يسمح بإنشاء شاشات بألوان زاهية باستخدام مصدر ضوء واحد فقط (الضوء الأزرق يُصدره الصمام الثنائي للضوء الأزرق، اكتشاف مُكافأ بجائزة نوبل في عام 2014، والذي غطيناه سابقًا).

تُستخدم النقاط الكمومية أيضًا لتحسين ضوء الصمامات الثنائية عن طريق تحويل الضوء البارد إلى لون أكثر إمتاعًا.

الإشارة الضوئية

بينما تستخدم معظم النقاط الكمومية اليوم محلولًا قائمًا على المذيب من بروس وباويندي، لا تزال البلورات المدمجة التي اكتشفها ييكيموف تُستَخدم، على سبيل المثال لتضخيم الإشارة في أنظمة الاتصالات بالألياف الضوئية.

تم اكتشاف النقاط الكمومية المنتجة بطريقة أخرى لاحقًا (طريقة النمو سترانسكي-كراستانوف) وتُستخدم، على سبيل المثال، في ليزر النقاط الكمومية للاتصالات الضوئية.

الكيمياء الحيوية

نظرًا لألوانها الفريدة والمميزة جدًا، يمكن استخدام النقاط الكمومية كعلامات لتتبع الأشياء على المستوى المجهري.

إحدى هذه التطبيقات هي أن يرفق الكيميائيون الحيويون النقاط الكمومية بجزيئات حيوية مثل الفيروسات، الحمض النووي، أو البروتينات، مما يتيح لهم تتبع حركتها وتراكمها باستخدام مجهر فلوري بسيط.

المصدر: Sigma Aldrich

الطب

نظرًا لإمكاناتها التصويرية، يمكن استخدام النقاط الكمومية لتتبع أنسجة الأورام في الجسم عن طريق ربط النقاط الكمومية بجزيئات ترتبط بخلايا السرطان فقط.

المصدر: Degruyter

مجال ناشئ في الطب يستخدم النقاط الكمومية وقدرتها على “تحديد” السرطان هو العلاج الضوئي. فيه، يستخدم الأطباء النقاط الكمومية لامتصاص الضوء وإنتاج إما حرارة أو مواد كيميائية تفاعلية تسبب موت الخلايا السرطانية المحيطة.

مع ذلك، يلزم المزيد من البحث لاستخدام النقاط الكمومية بانتظام في الطب، حيث يمكن أن تسبب آثارًا جانبية غير مرغوب فيها، مثل إتلاف الخلايا السليمة، تحللها أو تجميعها في الجسم، وصعوبة إزالتها عبر الكلى.

محفزات كيميائية

بدأ اكتشاف النقاط الكمومية بالبحث الذي قام به لويس بروس عن محفزات أفضل، وهي مركبات يمكنها تسريع أو إتاحة تفاعلات كيميائية بطيئة otherwise.

وقد تظل واحدة من التطبيقات الرئيسية للنقاط الكمومية، بفضل قدرتها على امتصاص الضوء لتشغيل تفاعلات كيميائية لا تحدث بخلاف ذلك.

المصدر: ACS

يمكن استخدام ذلك لتقسيم الماء إلى هيدروجين، وتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات هيدروكربونية، وتعزيز تفاعلات كيميائية أخرى.

أنابيب الكربون النانوية، الفوليرين، والجرافين هي نقاط كمومية كربونية تُستخدم كثيرًا كحفازات ضوئية بفضل خصائصها المتقدمة مثل قابلية الذوبان في الماء، التلاؤم الضوئي القابل للتعديل، السمية البيولوجية المنخفضة، وسهولة تعديل السطح.تطبيقات التحفيز للنقاط الكمومية

الطاقة

نظرًا لأن النقاط الكمومية هي في النهاية مادة شبه موصلة، ذات فجوات طاقة متغيرة حسب حجمها، فإن لديها إمكانات قوية لتطبيقها في إنشاء خلايا شمسية أفضل.

المصدر: Degruyter

الميزة الرئيسية التي قد تجلبها النقاط الكمومية إلى الخلايا الشمسية هي أنها يمكن أن توسع طيف الشمس القابل للتحويل إلى طاقة (فقط خلايا الشمس المصنوعة من السيليكون تحول إلى طاقة الفوتونات ذات الطاقة العالية، مما «يفقد» 70-75٪ من طاقة الشمس).

لذلك، بينما من المحتمل أن تصل الخلايا الشمسية التقليدية إلى أقصى كفاءة تحويل تتراوح بين 30-35٪، فإن خلايا الشمس القائمة على النقاط الكمومية تمتلك حدًا نظريًا أقصى يبلغ 66٪ من الكفاءة (انظر أدناه حول QD Solar).

الحواسيب الكمومية

في السباق لإنشاء حواسيب كمومية أكبر وأضخم (التي بحثناها في “الحالة الحالية للحوسبة الكمومية”)، قد تكون النقاط الكمومية أداة قيمة.

يمكن استخدامها كمكوّن أساسي للكمبيوتر، وهو الكيوبت. أو يمكن أن تشكل أجزاء من النظام المستخدم لتحديد موقع واكتشاف السبين الفردي، بالإضافة إلى كونها مصدرًا جيدًا للفوتونات الفردية.

نظرًا لأن إنتاج النقاط الكمومية أصبح الآن مفهومًا جيدًا ورخيصًا نسبيًا، فإن التصاميم التي تعتمد عليها قد تساعد في جعل الحواسيب الكمومية تصل إلى نطاق الإنتاج الضخم وتخفض تكلفتها.

الاستثمار في النقاط الكمومية والتقنية النانوية

تُعد تقنية QLED حاليًا أكبر سوق للنقاط الكمومية، حيث تتصدر السوق المجموعة الكورية العملاقة سامسونج (فرعها سامسونج إلكترونيكس – SSNLF).

مع ذلك، تُعد النقاط الكمومية نفسها جزءًا صغيرًا نسبيًا من الأعمال العامة، حيث تنشط الشركة أيضًا في جميع أنواع أشباه الموصلات (الذاكرة، الرقائق، المستشعرات، 5G، إلخ). وبالتالي، لا تُعد النقاط الكمومية جوهر الأعمال.

يمكنك الاستثمار في شركات النقاط الكمومية والتقنية النانوية عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، بالإضافة إلى العديد من الدول الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات النقاط الكمومية والتقنية النانوية، يمكنك أيضًا النظر في صناديق المؤشرات المتداولة للتقنية النانوية مثل صندوق ProShares Nanotechnology ETF (TINY) أو صندوق Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) الذي سيُوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من أسهم النقاط الكمومية والتقنية النانوية.

أو يمكنك الاطلاع على قائمتنا “أفضل 10 أسهم في التقنية النانوية”.

شركات النقاط الكمومية والتقنية النانوية

1. Nanoco Group (NANO.l)

مدرجة في بورصة لندن تحت رمز NANO، تتخصص شركة Nanoco في تطوير وتصنيع النقاط الكمومية وغيرها من المواد النانوية.

تُعد الشركة رائدة في النقاط الكمومية الخالية من الكادميوم، حيث تمتلك 375 براءة اختراع وشراكة ترخيص مع سامسونج. أدى ذلك إلى إغلاق نزاع قانوني استمر عامين مع سامسونج من 2021 إلى 2023 بشأن حقوق الملكية الفكرية، مما أسفر في النهاية عن تلقي Nanoco مبلغ 90 مليون دولار من سامسونج.

وبالتالي يمكنها توفير طريقة للاستثمار في النقاط الكمومية مشابهة لسامسونج، ولكن مع تركيز أقوى على هذه التقنية تحديدًا.

بينما تركز الشركة في المقام الأول على تطبيقات الصمامات الثنائية (OLED، μLEDs، QD-EL)، فإنها أيضًا تستكشف أسواقًا جديدة، مثل، على سبيل المثال، وضع علامات أمان على الأوراق المالية.

المصدر: Nanoco

قطاع آخر تستثمر فيه الشركة هو النقاط الكمومية تحت الحمراء، مع Heatwave. يجب أن يتيح ذلك حساسات تحت حمراء دقيقة جدًا. من بين التطبيقات المحتملة:

• التعرف على الوجه البيومتري.
• التشخيص البصري (قياسات مستويات O2، البيليروبين، والجلوكوز).
• LIDAR
• الرؤية الليلية.

تبدأ الشركة فقط في تسويق تقنيتها مع طلبين تجاريين للإنتاج في عام 2024.

يمكن لتقنية النقاط الكمومية الخالية من الكادميوم من Nanoco أن تُوفر تطبيقًا قويًا للطب وتطبيقات التكنولوجيا الحيوية، التي عادةً ما تكون أقل تقبلًا للنقاط الكمومية القائمة على المعادن الثقيلة.

2. QD Solar / SunDensity Canada

QD Solar، مطور ألواح شمسية بنقاط كمومية ورائد في هذه التقنية، تم شراؤه مؤخرًا من قبل SunDensity Canada، منتج الألواح الشمسية.

قد يكون هذا الاستحواذ نقطة تحول في تقنية الطاقة الشمسية.

من ناحية، تسمح تقنية QD الشمسية بتحقيق كفاءة أعلى من خلال استخدام النقاط الكمومية. يتيح ذلك للوح استغلال الطول الموجي تحت الأحمر لإنتاج الكهرباء، مع استخدام البيروفسكايت لامتصاص الفوتونات عالية الطاقة من الطيف المرئي.

المصدر: QD Solar

من ناحية أخرى، تستخدم تقنية SunDensity طلاءات نانوية خاصة لحماية الألواح الشمسية من التحلل الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية، بدلاً من تحويل ضوء UV إلى مزيد من الكهرباء.

النهج “النشط” لـ QD Solar يتحقق من خلال إضافة طبقة بيروفسكايت بالتوازي مع خلية شمسية سيليكونية. النهج “السلبي” لـ SunDensity يتضمن طلاءات تحول بكفاءة طاقة ضوء الشمس الساقط إلى نطاق أكثر قابلية للاستخدام لامتصاص الألواح الشمسية.

التقنيات مكملة مع إمكانية تحقيق أكثر من 40٪ كفاءة للوحدة عند الجمع بينها.

Yahoo Finance

لذلك، فإن الجمع بين استخدام البيروفسكايت (فوتونات مرئية عالية الطاقة) في نفس اللوح الشمسي، والطلاءات النانوية (ضوء UV)، والنقاط الكمومية (فوتونات تحت حمراء) قد يحقق أقصى كفاءة ممكنة يمكن للوحات الشمسية الوصول إليها.

المصدر: QD Solar

إن منظور الألواح الشمسية ذات الكفاءة المتوقعة 40٪ وربما أكثر في المستقبل قد يكون نقطة تحول في الصناعة.

يمكن أن تكون الألواح الشمسية ذات الكفاءة العالية والمتانة الأكبر ذات قيمة خاصة للتطبيقات المتطلبة مثل الطاقة الشمسية المستندة إلى الفضاء.