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Costruire Tecniche di Imaging di Nuova Generazione con Quantum Dot a Infrarossi
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La tecnologia dei quantum dot (QD) sta trasformando le industrie dell’illuminazione e dei display. Un argomento di discussione popolare nella nanotecnologia e nella scienza dei materiali, questi nanocristalli semiconduttori sono davvero piccole particelle semiconduttive, piccole pochi nanometri di dimensione.
Le loro proprietà elettroniche e ottiche si collocano tra atomi discreti in massa e semiconduttori. Queste proprietà dipendono sia dalla dimensione sia dalla forma di questi QD. Per esempio, i quantum dot più grandi, di dimensioni 5–6 nm, emettono lunghezze d’onda più lunghe rispetto alle lunghezze d’onda più corte emesse dai QD più piccoli, di dimensioni 2–3 nm. Inoltre, i primi QD producono colori arancioni o rossi, mentre i secondi generano blu e verde. Tuttavia, la specificità di questi colori dipende dalla composizione dei quantum dot.
I QD sono materiali semiconduttori su scala nanometrica con elettroni o lacune elettroniche strettamente confinati, molto simili a un modello di particella 3D in una scatola. Accoppiando due o più di questi QD, può essere creata anche una molecola artificiale. Nel frattempo, l’assemblaggio preciso di essi può formare superreticoli che agiscono come materiali solidi artificiali le cui proprietà ottiche ed elettroniche uniche possono essere controllate.
Solo lo scorso anno, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov e Louis E. Brus hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica per la scoperta e lo sviluppo dei quantum dot. Tuttavia, i QD non sono così giovani come la tecnologia. Sono stati scoperti per la prima volta diversi decenni fa, nel 1980, e da anni i QD sono utilizzati nei LCD come fosfori remoti.
Il potenziale di applicazione dei quantum dot non è limitato ai display, ma si estende anche a LED, laser, celle solari, sorgenti di singoli fotoni, transistor a singolo elettrone, microscopia, bioimaging, ricerca in biologia cellulare e catalisi di reazioni chimiche.
Spinti dalla crescente domanda di soluzioni di illuminazione a basso consumo energetico e dispositivi display di alta qualità in vari settori, il mercato dei QD dovrebbe registrare una crescita impressionante con un CAGR del 17,40% nei prossimi anni. Si prevede che la dimensione del mercato globale dei QD raggiunga 12,34 miliardi di dollari entro la fine di questo decennio.
Date le loro ampie applicazioni e la prevista crescita del mercato, i quantum dot sono stati oggetto di numerose ricerche ed esperimenti. Tuttavia, ciò è avvenuto principalmente nello spettro visibile. Ciò significa che c’è molto da scoprire sulla tecnologia nelle regioni ultravioletta e infrarossa.
La tecnologia infrarossa ha molti casi d’uso, quindi cresce la necessità di materiali optoelettronici economici, facili da sviluppare e da utilizzare, che siano sintonizzabili e attivi nell’infrarosso. Questo ha portato allo sviluppo dei quantum dot infrarossi. Grazie all’effetto di confinamento quantistico, le bande proibite dei quantum dot infrarossi possono essere sintonizzate quando necessario semplicemente mediante vincoli dimensionali.
I progressi nello sviluppo dei quantum dot infrarossi come assorbitori infrarossi, ad esempio nei combustibili solari e nelle celle fotovoltaiche, e come emettitori di luce infrarossa, come nell’imaging biologico e nei diodi a emissione luminosa, stanno facilitando l’implementazione dei QD in applicazioni emergenti.
Sviluppare Nanocristalli di Alta Qualità
Ora, Andrew Smith, professore di bioingegneria all’University of Illinois at Urbana-Champaign, e il ricercatore postdoc Wonseok Lee hanno sviluppato nuovi prodotti di nanocristalli ad alta qualità.
Pubblicato su Nature Synthesis e finanziato dal National Institutes of Health e dal National Science Foundation, la ricerca è stata la prima occasione in cui i QD infrarossi hanno raggiunto gli stessi alti standard di quelli nello spettro della luce visibile.
Anche dopo quasi mezzo secolo dall’esistenza della tecnologia dei nanocristalli, abbiamo visto solo progressi nei nanocristalli che operano nella parte visibile dello spettro. Questo ha senso, dato che sono una “grande parte dei dispositivi di visualizzazione”.
Come ha condiviso Smith, la parte più importante di qualsiasi tecnologia è l’emissione o l’assorbimento della luce. Pertanto, l’attenzione è stata rivolta allo sviluppo di una tecnologia con il più grande mercato attuale.
Ma non è tutto. Oltre ai nanocristalli dello spettro visibile che hanno una domanda molto più alta, la chimica dei materiali utilizzati nell’infrarosso è anche più difficile. Questo include energie più basse e lunghezze d’onda più lunghe rispetto alla luce nello spettro visibile.
Ora, realizzare l’emissione e l’assorbimento della luce nell’infrarosso richiede elementi più pesanti la cui chimica è difficile. Questo comporta reazioni meno prevedibili e più reazioni indesiderate.
Questo non è nemmeno la fine. Questi elementi più pesanti sono inoltre soggetti a degradazione. Sono anche sensibili ai cambiamenti ambientali, come l’acqua.
Per quanto riguarda i nanocristalli di quantum dot, possono essere realizzati da semiconduttori elementari, come il silicio, oppure possono essere composti da due elementi (binari) o tre elementi (ternari). Mescolando due elementi insieme, è possibile ottenere diverse proprietà, e combinando tre elementi, è possibile realizzare ancora più proprietà.
Presso l’istituzione di punta del sistema University of Illinois, i ricercatori si sono concentrati su un unico tipo di elemento, che credono possa essere il materiale ‘perfetto’ da realizzare. Il materiale in questione è seleniuro di mercurio e cadmio. Secondo Smith:
“Puoi praticamente ottenere qualsiasi proprietà desideri modificando il rapporto tra gli atomi di cadmio e mercurio. Può coprire un’ampia gamma dello spettro elettromagnetico—dall’intero infrarosso fino all’intero spettro visibile—e ottenere così molte proprietà.”
Utilizzare il QD Già Sviluppato
Lo sviluppo di quantum dot infrarossi ad alta qualità è stato in realtà un processo di anni. Per molto tempo la comunità di ricerca ha cercato di raggiungere questo obiettivo, con Smith stesso coinvolto fin dagli studi universitari. Ma nessuno degli sforzi è stato finora riuscito.
Finalmente, i ricercatori dell’University of Illinois sono riusciti a creare un nuovo materiale. L’hanno ottenuto prendendo qualcosa che era già stato perfezionato. Quindi, hanno preso quello che è considerato il quantum dot più sviluppato e lo hanno utilizzato come quello che Smith ha definito uno ‘stampo sacrificale’.
Il seleniuro di cadmio (CdSe) è un composto inorganico classificato come semiconduttore II-VI (COHR ) di tipo n. È trasparente alla luce infrarossa (IR) ed è altamente luminescente, ma ha avuto un uso limitato nei fotoresistori.
Come osservato nella ricerca, i nanocristalli colloidali di semiconduttori a base di CdSe sono stati ottimizzati con precisione per applicazioni fotoniche nello spettro visibile. I prodotti moderni mostrano effettivamente uniformità strutturale con un rendimento quantico quasi del cento per cento.
Ora, il team ha preso il seleniuro di cadmio e ha sostituito gli atomi di cadmio (Cd) con quelli di mercurio (Hg). Immediatamente, questo ha spostato tutto nello spettro infrarosso mantenendo tutte le qualità desiderate, inclusa una forte emissione luminosa e una forte assorbenza della luce.
Per raggiungere questo, i ricercatori hanno dovuto abbandonare il metodo convenzionale di sintesi dei nanocristalli. Il metodo tradizionale prevede prima la miscelazione degli elementi precursori e, poi, nelle condizioni appropriate, la loro decomposizione nella struttura nanocristallina desiderata.
Tuttavia, non sono state trovate condizioni che funzionino per seleniuro, mercurio e cadmio. Perciò, il ricercatore postdoc Lee ha sviluppato un nuovo metodo chiamato scambio cationico potenziato dall’interdiffusione.
In questo processo, il team ha aggiunto argento come quarto elemento, che introduce difetti nel materiale. Questo, ha detto Smith, ha causato “tutto di mescolarsi omogeneamente. E questo ha risolto l’intero problema”.
Alla fine, il team ha sviluppato nanocristalli di seleniuro di mercurio (HgSe) e di seleniuro di mercurio e cadmio (HgCdSe) che emettono e assorbono nello spettro infrarosso. Sviluppati a partire da precursori di CdSe dello spettro visibile, già ben sviluppati, i nuovi materiali hanno mantenuto le caratteristiche desiderate, inclusi forma, dimensione e uniformità dei nanocristalli di seleniuro di cadmio, pur avendo un assorbimento migliorato.
Questi nanocristalli omogenei, HgSe e le leghe HgxCd1−xSe, hanno anche bande proibite sintonizzabili nello spettro infrarosso. Secondo la ricerca, “dopo la passivazione con gusci eteroepitassiali CdZnS, le lunghezze d’onda della fotoluminescenza sono sintonizzabili nell’infrarosso a breve onda mediante composizione senza cambiare dimensione, con un rendimento quantico dell’80–91% e larghezze di banda intorno a 100 meV”.
Applicazioni Potenziali dei Quantum Dot Infrarossi
Le dimensioni uniche dei piccoli quantum dot, combinate con le loro proprietà elettroniche sintonizzabili, rendono i QD molto attraenti per nuove tecnologie e una varietà di applicazioni.
Grazie alla loro capacità di emettere un arcobaleno di colori brillanti e puri, il loro alto coefficiente di estinzione e le elevate efficienze rendono i quantum dot particolarmente significativi per applicazioni ottiche, come luci a LED, display e celle fotovoltaiche. Quando vengono utilizzati nello sviluppo di schermi display avanzati, la tecnologia migliora l’accuratezza del colore e la luminosità.
La sicurezza e la sorveglianza è un altro settore in cui possono migliorare le capacità di visione notturna e aiutare a identificare individui o oggetti in ambienti bui o oscurati. Nell’industria automobilistica, ciò può contribuire a migliorare i sistemi di assistenza al conducente e la sicurezza della guida notturna. Possono anche rilevare inquinanti nell’ambiente e contaminanti nelle fonti d’acqua.
A causa delle piccole dimensioni dei quantum dot, che comportano una densità di stati più netta rispetto a strutture di dimensioni superiori, gli elettroni non devono percorrere grandi distanze, il che si traduce in dispositivi elettronici più veloci. Queste proprietà elettroniche uniche sono particolarmente utili per celle solari, transistor, calcolo quantistico e switch e porte logiche all-optiche ultraveloci.
Le piccole dimensioni dei QD li rendono adatti a diverse applicazioni biomediche come biosensori e imaging medico. A differenza dei biosensori basati sulla fluorescenza, quelli basati sui quantum dot possono emettere uno spettro completo di luci più brillanti con poca degradazione nel tempo. Questo li rende davvero vantaggiosi nelle applicazioni biomediche.
Secondo la ricerca, i nuovi materiali, seleniuro di mercurio (HgSe) e seleniuro di mercurio e cadmio (HgCdSe), potrebbero portare a tecniche di imaging di nuova generazione.
I quantum dot infrarossi possono rivoluzionare diversi settori consentendo lo sviluppo di tecniche di imaging di nuova generazione. Ad esempio, nell’imaging medico, i quantum dot infrarossi possono essere utilizzati per rilevare tumori e cellule cancerose in fase precoce, aiutare nell’imaging non invasivo di tessuti e organi con immagini più chiare e dettagliate, e essere impiegati durante la chirurgia per migliorare la precisione e i risultati.
Nel settore sanitario, i quantum dot infrarossi possono essere ulteriormente impiegati per il tracciamento cellulare, la visualizzazione e lo studio del comportamento delle molecole all’interno delle cellule. Come evidenziato dalla ricerca, l’uso più significativo dei quantum dot infrarossi potrebbe essere per sonde molecolari.
La maggior parte dei quantum dot emette nello spettro visibile, consentendo solo la rilevazione superficiale. Tuttavia, la luce infrarossa permetterà di sondare tessuti più profondi. In questo modo, i quantum dot che emettono nell’infrarosso consentono ai ricercatori di vedere quasi completamente attraverso, ad esempio, un roditore vivente, utilizzato come modello standard per la maggior parte delle malattie, e di identificare le posizioni di specifiche molecole in tutto il corpo senza sacrificare i topi.
Tutti questi utilizzi significano una migliore comprensione dei processi biologici, del corpo umano e dei meccanismi delle malattie e, di conseguenza, soluzioni e cure più personalizzate e migliori.
Oltre a tutto ciò, l’imaging infrarosso con quantum dot può anche essere utilizzato per analizzare materiali e componenti, garantire la qualità del prodotto nella produzione, migliorare la risoluzione dei telescopi e assistere nella navigazione e nel funzionamento dei veicoli spaziali.
Aziende di Spicco che Lavorano con Tecniche di Imaging e Quantum Dot Infrarossi
Ora, diamo un’occhiata alle aziende in prima linea nello sviluppo di tecniche di imaging e nel lavoro con i quantum dot:
#1. QD Vision
Questa azienda è nota per la sua tecnologia quantum dot, in particolare nelle applicazioni di display e imaging. Co-fondata da Moungi Bawendi un decennio fa, l’azienda ha lavorato alla commercializzazione dei QD tramite Color IQ.
Nel 2016, Samsung Electronics ha acquisito la proprietà intellettuale di QD Vision per 70 milioni di dollari, che includeva centinaia di brevetti. Con questa mossa strategica, l’obiettivo è stato supportare la visione a lungo termine dell’azienda per i suoi display, TV e possibilmente altri settori. All’epoca, Samsung ha dichiarato che la proprietà intellettuale di QD Vision sarebbe diventata parte degli sforzi di R&D dell’azienda coreana per sviluppare implementazioni avanzate di TV QD. I display QLED di Samsung promettono prestazioni di colore senza pari e una qualità d’immagine eccezionale, “aprendo una nuova serie di possibilità per il futuro”.
Nel primo trimestre del 2024, Samsung ha riportato un aumento del 933% del suo profitto operativo rispetto al 1Q23. Il colosso tecnologico prevede un aumento di 15 volte del profitto operativo nel 2Q24, spinto dai prezzi dei semiconduttori grazie al boom dell’IA. Nonostante ciò, le azioni Samsung (SMSN) sono scambiate a 1.581 $, con un incremento del 5,54% YTD. L’azienda paga un rendimento da dividendo dell’1,69%.
#2. Nanoco Group
Quotata alla Borsa di Londra con il ticker NANO, Nanoco è specializzata nello sviluppo e nella produzione di quantum dot e altri nanomateriali. Scambiata a 0,1949 $, le azioni sono in calo del 12,38% YTD, con un EPS (TTM) di 0,06 e un P/E (TTM) di 3,32.
L’azienda ha recentemente riacquistato 330.133 delle sue azioni ordinarie, che saranno annullate per lasciare 205.038.038 azioni ordinarie in circolazione, una mossa fatta per aumentare il valore per gli azionisti. Durante la conference call dei risultati del 2Q24, il suo CEO Brian Tenner ha parlato del fatto che Nanoco ha ricevuto e soddisfatto due ordini di produzione commerciale. Pur essendo ordini a basso volume, ciò significa che Nanoco sta effettivamente passando a una vera azienda di produzione e “si prevede che la domanda e il volume… aumenteranno nel tempo”. L’azienda ha anche firmato due accordi di sviluppo congiunto con clienti globali riguardanti due diversi nanomateriali di seconda generazione per l’uso nel rilevamento infrarosso.
La tecnologia di base di Nanoco riguarda i quantum dot CFQD®, che consistono in nanoparticelle semiconduttori fluorescenti e i quantum dot HEATWAVETM che sono progettati appositamente per l’uso nell’industria dei sensori. Mentre i primi hanno applicazioni nella conversione colore OLED, conversione colore μLED e marcatura di sicurezza ottica, la seconda tecnologia è destinata al riconoscimento facciale biometrico, diagnosi ottiche, visione notturna, misurazione di distanza e applicazioni LiDAR.
Considerazioni Finali
Come abbiamo visto, la tecnologia dei quantum dot promette avanzamenti significativi in diversi settori. I ricercatori stanno attualmente approfondendo ulteriormente i QD, come i quantum dot infrarossi, che hanno applicazioni uniche, soprattutto nell’imaging biologico. Man mano che la domanda di QD continua a crescere e le dimensioni del mercato aumentano, vedremo ancora più progressi nel campo dei quantum dot, che hanno la capacità di rivoluzionare il settore medico, energetico, dei sensori e dell’elettronica di consumo.
