Computing
Pagbuo ng Mga Susunod na Henerasyon na Teknik sa Imaging gamit ang Infrared Quantum Dots
Ang teknolohiyang quantum dots (QD) ay nagbabago sa mga industriya ng ilaw at display. Isang popular na paksa sa nanotechnology at agham ng materyales, ang mga semiconductor nanocrystals na ito ay talagang maliliit na semiconductor na particle, kasing liit ng ilang nanometer ang sukat.
Ang kanilang mga elektronik at optikal na katangian ay nasa pagitan ng bulk na hiwalay na atom at mga semiconductor. Ang mga katangiang ito ay talagang nakadepende sa parehong laki at hugis ng mga QD. Halimbawa, ang mas malalaking quantum dot na may sukat na 5–6 nm ay naglalabas ng mas mahahabang wavelength kumpara sa mas maiikling wavelength na inilalabas ng mas maliliit na QD na may sukat na 2–3 nm. Bukod pa rito, ang mga naunang QD ay nagbibigay ng kulay na kahel o pula, habang ang huli ay naglalabas ng asul at berde. Ang espesipikong kulay na ito, gayunpaman, ay nakadepende sa komposisyon ng mga quantum dot.
Ang QD ay mga nanoscale na semiconductor material na may mahigpit na nakulong na mga electron o electron hole, katulad ng 3D particle in a box model. Sa pamamagitan ng pagkakabit ng dalawa o higit pang mga QD, maaaring makalikha ng isang artipisyal na molekula. Samantala, ang tumpak na pag-assemble ng mga ito ay maaaring bumuo ng mga superlattice na kumikilos bilang artipisyal na solid-state na materyales na ang natatanging optikal at elektronik na katangian ay maaaring kontrolin.
Noong nakaraang taon, sina Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov, at Louis E. Brus ay pinarangalan ng Nobel Prize sa Chemistry para sa pagk discover at pag-develop ng quantum dots. Gayunpaman, ang QD ay hindi kasing baguhan ng teknolohiya. Una itong nadiskubre maraming dekada na ang nakalipas, noong 1980, at ilang taon na ang nakalipas mula nang magamit ang QD sa mga LCD bilang remote phosphors.
Ang potensyal na aplikasyon ng quantum dot ay hindi limitado lamang sa mga display. Pinalawak din ito sa mga LED, laser, solar cell, single-photon source, single-electron transistor, mikroskopya, bioimaging, pananaliksik sa cell biology, at katalisis ng mga kemikal na reaksyon.
Dahil sa tumataas na pangangailangan para sa mga solusyon sa ilaw na matipid sa enerhiya at mga de-kalidad na display device sa iba’t ibang industriya, ang merkado ng QD ay inaasahang makakakita ng kahanga-hangang paglago sa CAGR na 17.40% sa mga susunod na taon. Ang pandaigdigang laki ng merkado ng QD ay inaasahang aabot sa $12.34 bilyon bago matapos ang dekadang ito.
Dahil sa kanilang malawak na aplikasyon at inaasahang paglago ng laki ng merkado, ang mga quantum dot ay naging paksa ng maraming pananaliksik at eksperimento. Gayunpaman, ito ay karamihan sa nakikitang spectrum. Ibig sabihin, marami pang dapat matuklasan tungkol sa teknolohiya sa ultraviolet at infrared na mga rehiyon.
Teknolohiyang Infrared ay may maraming gamit, kaya’t tumataas ang pangangailangan para sa mga cost-effective, madaling i-develop, at madaling gamitin na optoelectronic na materyales na maaaring i-tune at infrared-active. Ito ay nagdala sa pag-develop ng infrared quantum dots. Dahil sa quantum confinement effect, ang band gap ng infrared quantum dots ay maaaring i-tune kung kailan man kailangan, simpleng sa pamamagitan ng dimensional constraints.
Ang pag-unlad sa pag-develop ng infrared quantum dots bilang infrared absorbers, tulad ng sa solar fuels at photovoltaics, at infrared light emitters, tulad ng sa biological imaging at light-emitting diodes, ay nagpapadali sa pag-implementa ng QD sa mga umuusbong na aplikasyon.
Pag-develop ng Mataas na Kalidad na Nanocrystals
Ngayon, sina Andrew Smith, isang propesor ng bioengineering sa University of Illinois at Urbana-Champaign, at ang postdoc researcher na si Wonseok Lee ay nakabuo ng mga bagong mataas na kalidad na produkto ng nanocrystal.
Inilathala sa Nature Synthesis at pinondohan ng National Institutes of Health at National Science Foundation, ang pananaliksik ay ang unang pagkakataon ng infrared QD na may parehong mataas na pamantayan tulad ng sa visible light spectrum.
Kahit na halos kalahating siglo na ang umiiral na ng teknolohiyang nanocrystal, nakakita lamang tayo ng pag-unlad sa mga nanocrystal na gumagana sa nakikitang bahagi ng spectrum. Ito ay may katwiran, dahil sila ay isang “malaking bahagi ng mga display device.”
Ayon kay Smith, ang pinakamahalagang bahagi ng anumang teknolohiya ay ang paglabas o pagsipsip ng liwanag. Kaya, ang pokus ay nasa pag-develop ng teknolohiyang may pinakamalaking merkado sa kasalukuyan.
Ngunit hindi ito lahat. Bukod sa mas mataas na demand para sa mga nanocrystal sa visible spectrum, ang kimika ng mga materyales na ginagamit sa infrared ay mas mahirap din. Kabilang dito ang mas mababang enerhiya at mas mahahabang wavelength kaysa sa liwanag sa visible spectrum.
Ngayon, ang pagkamit ng paglabas at pagsipsip ng liwanag sa infrared ay nangangailangan ng mas mabibigat na elemento na ang kimika ay mahirap. Ibig sabihin nito ay mas hindi predictable na mga reaksyon at mas maraming hindi kanais-nais na side reactions.
Hindi pa ito ang katapusan. Ang mga mas mabibigat na elementong ito ay mas madaling masira. Sila rin ay madaling maapektuhan ng mga pagbabago sa kapaligiran, tulad ng tubig.
Pagdating sa quantum dot nanocrystals, maaari silang gawin mula sa elemental na semiconductor, tulad ng silicon, o maaari silang gawin mula sa dalawang elemento (binary) o tatlong elemento (ternary). Sa pamamagitan ng paghahalo ng dalawang elemento nang magkasama, maaaring makamit ang ilang iba’t ibang katangian, at sa pamamagitan ng pagsasama ng tatlo, mas marami pang katangian ang maaaring makamit.
Sa pangunahing institusyon ng University of Illinois system, ang mga mananaliksik ay nagtuon sa isang uri lamang ng elemento, na kanilang pinaniniwalaang maaaring maging ‘perpektong’ materyal na gawin. Ang materyal dito ay mercury cadmium selenide. Ayon kay Smith:
“Maaari mong makuha halos anumang katangian na gusto mo sa pamamagitan ng pagbabago ng ratio ng mga atom ng cadmium at mercury. Maaari nitong saklawin ang napakalawak na hanay ng electromagnetic spectrum—mula sa buong infrared hanggang sa buong visible spectrum—at makakuha ng napakaraming katangian.”
Pagpapa-uso ng Naitagong QD
Ang pag-develop ng mataas na kalidad na infrared quantum dot ay matagal nang ginagawa. Sa mahabang panahon, sinusubukan ng komunidad ng pananaliksik na makamit ito, kasama si Smith mula pa noong graduate school. Ngunit wala sa mga pagsisikap ang naging matagumpay hanggang ngayon.
Sa wakas, nagawang lumikha ng bagong materyal ang mga mananaliksik mula sa University of Illinois. Nakamit nila ito sa pamamagitan ng pagkuha ng isang bagay na dati nang perpekto. Kaya, kinuha nila ang itinuturing na pinaka-develop na quantum dot at ginamit ito bilang isang ‘sacrificial mold’ na tinawag ni Smith.
Ang Cadmium selenide (CdSe) ay isang inorganic compound na kinategorya bilang II-VI semiconductor ng n-type. Ito ay transparent sa infrared (IR) na liwanag at mataas ang pag-luminescence ngunit limitado ang paggamit nito sa mga photoresistor.
Ayon sa pananaliksik, ang mga CdSe-based colloidal semiconductor nanocrystals ay tumpak na na-optimize para sa mga photonic application sa visible spectrum. Ang mga modernong produkto ay talagang nagpapakita ng structural uniformity na halos 100 porsyento ng quantum yield.
Ngayon, pinalitan ng koponan ang cadmium selenide at pinalitan ang mga atom ng cadmium (Cd) ng mga atom ng mercury (Hg). Kaagad, binago nito ang lahat patungo sa infrared spectrum habang pinananatili ang lahat ng ninanais na katangian, kabilang ang malakas na paglabas ng liwanag at malakas na pagsipsip ng liwanag.
Upang makamit ito, kinailangan ng mga mananaliksik na itakwil ang tradisyonal na paraan ng pag-synthesize ng nanocrystals. Ang tradisyonal na metodo ay nagsisimula sa paghalo ng mga precursor na elemento, at pagkatapos, sa tamang kondisyon, sila ay nagbabago tungo sa ninanais na istruktura ng nanocrystal.
Gayunpaman, walang kondisyon na nakita na gumagana para sa selenide, mercury, at cadmium. Kaya, ang postdoctoral researcher na si Lee ay nag-develop ng bagong metodo na tinatawag na interdiffusion enhanced cation exchange.
Sa prosesong ito, nagdagdag ang koponan ng silver bilang ika-apat na elemento, na nagdadala ng mga depekto sa materyal. Ayon kay Smith, ito ay nagdulot ng “lahat ay naghalo nang homogenous. At iyon ang nagresolba sa buong problema.”
Sa huli, nakabuo ang koponan ng mercury selenide (HgSe) at mercury cadmium selenide (HgCdSe) na nanocrystals na naglalabas at sumisipsip sa infrared spectrum. Binuo mula sa mga CdSe precursor ng visible spectrum, na dati nang maayos na nadevelop, pinanatili ng mga bagong materyal ang ninanais na katangian, kabilang ang hugis, sukat, at pagkakapare-pareho ng cadmium selenide nanocrystals, habang may pinahusay na pagsipsip.
Ang mga homogenous na nanocrystals na ito, HgSe at HgxCd1−xSe alloys, ay mayroon ding tunable na bandgap sa infrared spectrum. Ayon sa pananaliksik, “pagkatapos ng passivation gamit ang heteroepitaxial CdZnS shells, ang mga photoluminescence wavelength ay maaaring i-tune sa shortwave infrared sa pamamagitan ng komposisyon nang hindi binabago ang sukat, na may 80–91% quantum yield at linewidths na halos 100 meV.”
Potensyal na Mga Aplikasyon ng Infrared Quantum Dots
Ang natatanging laki ng maliliit na quantum dot, kasama ang kanilang tunable na elektronikong katangian, ay ginagawang napaka-kaakit-akit ang QD para sa mga bagong teknolohiya at iba’t ibang aplikasyon.
Dahil sa kanilang kakayahang maglabas ng bahaghari ng maliwanag at purong kulay, ang kanilang mataas na extinction coefficient at mataas na kahusayan ay ginagawang partikular na mahalaga ang quantum dot para sa mga optikal na aplikasyon, tulad ng LED ilaw, display, at photovoltaics. Kapag ginamit sa pag-develop ng mga advanced na screen ng display, pinapabuti ng teknolohiya ang katumpakan ng kulay at liwanag.
Ang seguridad at surveillance ay isa pang sektor kung saan maaari nilang mapahusay ang kakayahan sa night vision at makatulong sa pagtukoy ng mga indibidwal o bagay sa madilim o takpan na kapaligiran. Sa industriya ng automotive, ito ay makakatulong sa pagpapahusay ng driver assistance systems at pagpapabuti ng kaligtasan sa pagmamaneho sa gabi. Maaari rin nilang matuklasan ang mga pollutant sa kapaligiran at mga kontaminante sa mga pinagkukunan ng tubig.
Dahil sa maliit na sukat ng quantum dot, na nangangahulugang mas matalim ang state density kumpara sa mas mataas na dimensional na estruktura, hindi na kailangang maglakbay nang malayo ang mga electron, na nagreresulta sa mga elektronikong device na mas mabilis mag-operate. Ang mga natatanging elektronikong katangiang ito ay partikular na kapaki-pakinabang para sa solar cell, transistor, quantum computing, at ultrafast na all-optical switch at logic gate.
Ang maliit na sukat ng QD ay ginagawang angkop din ito para sa iba’t ibang biomedical na aplikasyon tulad ng biosensor at medical imaging. Hindi tulad ng fluorescence-based na biosensor, ang mga batay sa quantum dot ay maaaring maglabas ng buong spectrum ng mas maliwanag na ilaw habang kaunti lamang ang degradation sa paglipas ng panahon. Ito ay talagang kapaki-pakinabang sa biomedical na mga aplikasyon.
Ayon sa pananaliksik, ang mga bagong materyal, mercury selenide (HgSe) at mercury cadmium selenide (HgCdSe) na nanocrystals, ay maaaring magdala sa susunod na henerasyon ng mga teknik sa imaging.
Ang infrared quantum dot ay maaaring mag-rebolusyon sa ilang industriya sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa pag-develop ng susunod na henerasyon ng mga teknik sa imaging. Halimbawa, sa medical imaging, maaaring gamitin ang infrared quantum dot upang matukoy ang mga tumor at selula ng kanser nang maaga, makatulong sa noninvasive na imaging ng mga tisyu at organo na may mas malinaw at detalyadong mga imahe, at magamit sa panahon ng operasyon upang mapabuti ang katumpakan at mga resulta.
Sa sektor ng pangangalagang pangkalusugan, ang infrared quantum dot ay maaaring magamit pa para sa cell tracking, visualisasyon, at pag-aaral ng pag-uugali ng mga molekula sa loob ng mga selula. Ayon sa pananaliksik, ang pinakamahalagang paggamit ng infrared quantum dot ay maaaring para sa molecular probes.
Karamihan sa mga quantum dot ay naglalabas sa visible spectrum, na nagbibigay lamang ng surface detection. Gayunpaman, ang infrared na liwanag ay magpapahintulot na masusuri ang mas malalim na tisyu. Sa ganitong paraan, ang mga quantum dot na naglalabas sa infrared ay nagpapahintulot sa mga mananaliksik na halos makita nang buo ang loob ng, halimbawa, isang buhay na daga, na ginagamit bilang standard na modelo para sa karamihan ng mga sakit, at matukoy ang lokasyon ng mga tiyak na molekula sa buong katawan nang hindi kinakailangang isakripisyo ang mga daga.
Ang lahat ng mga gamit na ito ay nangangahulugang mas mahusay na pag-unawa sa mga prosesong biyolohikal, sa katawan ng tao, at sa mga mekanismo ng sakit, at, bilang resulta, mas maganda at mas personalisadong solusyon at pangangalaga.
Bukod pa rito, ang infrared imaging gamit ang quantum dot ay maaari ring magamit upang suriin ang mga materyales at komponent, tiyakin ang kalidad ng produkto sa paggawa, pahusayin ang resolusyon ng mga teleskopyo, at tumulong sa nabigasyon at operasyon ng mga sasakyang pangkalawakan.
Mga Nangungunang Kumpanya na Nagtatrabaho sa mga Teknik sa Imaging at Infrared Quantum Dots
Ngayon, tingnan natin ang mga kumpanya na nangunguna sa pagpapalawak ng mga teknik sa imaging at pagtatrabaho sa mga quantum dot:
#1. QD Vision
Ang kumpanyang ito ay kilala sa kanyang teknolohiyang quantum dot, partikular sa mga aplikasyon ng display at imaging. Co-founded ni Moungi Bawendi isang dekada na ang nakalilipas, ang kumpanya ay nagtrabaho sa komersyalisasyon ng QD sa pamamagitan ng Color IQ.
Noong 2016, nakuha ng Samsung Electronics ang IP ng QD Vision sa halagang $70 million, na kinabibilangan ng daan-daang patent. Sa estratehikong hakbang na ito, layunin nitong suportahan ang pangmatagalang bisyon ng kumpanya para sa display, TV, at posibleng iba pang negosyo. Noong panahong iyon, sinabi ng Samsung na ang IP ng QD Vision ay magiging bahagi ng R&D efforts ng kumpanyang nakabase sa Korea upang mag-develop ng advanced na implementasyon ng QD TV. Ang mga QLED display ng Samsung ay nangangako ng walang kapantay na performance ng kulay at pambihirang kalidad ng imahe, “nagbubukas ng bagong daloy ng mga posibilidad para sa hinaharap.”
Sa Q1 ng 2024, iniulat ng Samsung ang pagtaas ng 933% sa operating profit kumpara sa 1Q23. Inaasahan ng higanteng teknolohiya ang 15 beses na pagtaas ng operating profit sa 2Q24, na pinapagana ng presyo ng semiconductor dahil sa AI boom. Sa kabila nito, ang mga shares ng Samsung (SMSN) ay nagte-trade sa $1,581, tumaas lamang ng 5.54% YTD. Ang kumpanya ay nagbabayad ng dividend yield na 1.69%.
#2. Nanoco Group
Nakarehistro sa London Stock Exchange sa ilalim ng ticker na NANO, ang Nanoco ay nagdadalubhasa sa pag-develop at paggawa ng mga quantum dot at iba pang nanomaterial. Ang presyo ng shares ay $0.1949, bumaba ng 12.38% YTD, na may EPS (TTM) na 0.06 at P/E (TTM) na 3.32.
Kamakailan, bumili pabalik ang kumpanya ng 330,133 ng kanyang ordinary shares, na kakanselahin upang mag-iwan ng 205,038,038 Ordinary Shares na nakalabas, isang hakbang na ginawa upang mapabuti ang halaga para sa mga shareholders. Sa 2Q24 earnings call, sinabi ng CEO na si Brian Tenner na natanggap at natupad ng Nanoco ang dalawang commercial production order. Bagaman mababa ang dami ng order, nangangahulugan ito na ang Nanoco ay talagang lumilipat sa isang aktwal na production company at “inaasahan na ang demand at volume… ay tataas sa paglipas ng panahon.” Ang kumpanya ay lumagda rin ng dalawang joint development agreement sa mga global na customer na may kinalaman sa dalawang magkaibang second-generation nanomaterials para sa paggamit sa infrared sensing.
Ang pangunahing teknolohiya ng Nanoco ay kinabibilangan ng CFQD® quantum dot, na binubuo ng fluorescent semiconductor nanoparticles at HEATWAVETM quantum dot na espesyal na dinisenyo para sa paggamit sa industriya ng sensor. Habang ang una ay may aplikasyon sa OLED color conversion, μLEDs color conversion, at optical security tagging, ang huling teknolohiya ay para sa Biometric facial recognition, optical diagnostics, night vision, range finding, at LiDAR na mga aplikasyon.
Pangwakas na Kaisipan
Tulad ng nakita natin, ang teknolohiyang quantum dot ay nangangako ng makabuluhang pag-unlad sa iba’t ibang industriya. Ang mga mananaliksik ay kasalukuyang mas pinapalawak ang pag-aaral sa QD, tulad ng infrared quantum dot, na may natatanging aplikasyon, lalo na sa biomedical imaging. Habang patuloy na lumalaki ang demand para sa QD at ang laki ng merkado nito ay tumataas, makakakita tayo ng mas marami pang pag-unlad sa larangan ng quantum dot, na may kakayahang baguhin ang medikal, enerhiya, sensor, at consumer electronics.
