|
|
 |
Η κάθοδος των τιμών
|
|
|
|
|
|
|
Οι κβαντικές κουκίδες συνιστούν φθορίζοντα νανοσωμάτια ημιαγώγιμου υλικού. Το χρώμα φωτός που εκπέμπουν ποικίλλει ανάλογα με το μέγεθος της κουκίδας, μετατοπιζόμενο προς την κυανή περιοχή του φάσματος καθώς οι διαστάσεις τους συρρικνώνονται. Στις προτεινόμενες εφαρμογές τους περιλαμβάνονται τα λέιζερ, οι έγχρωμες οθόνες και η βιοαπεικόνιση. Ωστόσο, η εμπορική τους δυναμική αναγνωρίζεται με βραδύ ρυθμό, διότι οι κουκκίδες είναι ακριβές· στοιχίζουν τουλάχιστον 2.000 δολάρια ανά γραμμάριο, εξαιτίας κυρίως των πανάκριβων διαλυτών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή τους. Τώρα όμως, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο Rice (Τέξας) έδειξε ότι πολύ φτηνότεροι διαλύτες είναι εξίσου αποτελεσματικοί, μειώνοντας έτσι δραστικά τις σχετικές δαπάνες σε υλικά. Προσδιόρισαν επίσης και το πώς οι ιδιότητες του διαλύτη επηρεάζουν το σχηματισμό κουκίδων, γεγονός που ίσως συμβάλει στην ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας συστημάτων παραγωγής.
Πράγματι, η επιθυμία να αυξηθεί η κλίμακα των υφιστάμενων μεθόδων σύνθεσης οδήγησε τον χημικό Michael S. Wong και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο Rice στην ανακάλυψη της οικονομικά συμφέρουσας τεχνικής. Συγκεκριμένα, ενδιαφέρονταν για κουκίδες σεληνιούχου καδμίου, ενός από τα πλέον μελετημένα είδη. Οι συνταγές παρασκευής των συνήθως χρησιμοποιούμενων κουκίδων σεληνιούχου καδμίου είχαν ήδη ηλικία 10 ετών και περιελάμβαναν θέρμανση πρόδρομων χημικών ενώσεων σε θερμοκρασίες περίπου 250 βαθμών Κελσίου, μέσα σε ειδικούς διαλύτες.
Οι ερευνητές αντιλήφθηκαν γρήγορα ότι το κόστος των καθιερωμένων συνταγών παρασκευής είναι απαγορευτικό, καθώς και ότι το 90% των δαπανών για υλικά οφείλεται σε έναν συγκεκριμένο διαλύτη, το δεκαοκτάνιο. Αρχισαν, λοιπόν, να μελετούν τη βιβλιογραφία προσπαθώντας να προσδιορίσουν τι καθιστά το δεκαοκτάνιο τόσο ιδιαίτερο. Για παράδειγμα, πρόκειται για έναν αλειφατικό κορεσμένο υδρογονάνθρακα με μεγάλο μήκος αλυσίδας, γεγονός που σημαίνει ότι είναι συμβατός με το ελαϊκό οξύ, ένα άλλο συστατικό της συνταγής. Ωστόσο, κατόπιν εκτεταμένης βιβλιογραφικής επισκόπησης, κατέληξαν ότι η συγκεκριμένη μοριακή δομή ίσως τελικά να μην είναι και τόσο σημαντική.
Τι είναι όμως σημαντικό; Προφανώς, ένας διαλύτης με υψηλό σημείο βρασμού, ανθεκτικότητα στη διάσπαση και χαμηλότερο κόστος από το δεκαοκτάνιο. Οι χημικοί γνώριζαν ρευστά μεταφοράς θερμότητας, όπως λέγονται, τα οποία ικανοποιούσαν και τις τρεις παραπάνω προϋποθέσεις. Αυτά, ωστόσο, δεν χρησιμοποιούνται ως διαλύτες, καθότι δεν είναι ούτε τόσο καθαρά ούτε και τόσο αμιγή όσο οι τυπικοί διαλύτες. Ευτυχώς όμως, αυτό δεν παίζει κανένα ρόλο στην κατασκευή κβαντικών κουκίδων.
Έτσι, η ομάδα δοκίμασε να κατασκευάσει κβαντικές κουκίδες χρησιμοποιώντας δύο ρευστά, το Dowtherm A και το Therminol 66. Και, πράγματι, σχηματίστηκαν κουκίδες, όπως περίπου και το συμβατικό και ακριβό δεκαοκτάνιο. «Κατενθουσιαστήκαμε», θυμάται ο Wong. Η χρήση του φτηνότερου από τα δύο ρευστού, δηλαδή του Dowtherm A, μείωσε το κόστος κατά 80%. Τούτη την περίοδο, η ομάδα μας κατασκευάζει και κουκίδες διαφορετικής σύστασης ―όχι πια μόνο από σεληνιούχο κάδμιο― χρησιμοποιώντας τα ίδια ρευστά.
Οι παραγόμενες κουκίδες είναι κατά τι μικρότερες εκείνων που κατασκευάζονται με τη χρήση δεκαοκτανίου. Κατόπιν σχετικής μελέτης, οι ερευνητές επινόησαν ένα μαθηματικό μοντέλο που εξηγεί τις διαφορές αυτές. Το μοντέλο προβλέπει το ρυθμό αύξησης των κουκίδων σε σχέση με τρία μεγέθη: το ιξώδες του διαλύτη, τη διαλυτότητα του σεληνιούχου καδμίου στο διαλύτη και την επιφανειακή ελεύθερη ενέργεια, η οποία σχετίζεται με τη σταθερότητα της επιφάνειας της κβαντικής κουκίδας παρουσία του διαλύτη.
Ο αριθμός παραγόμενων κουκίδων παραμένει μικρός ―η ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει μόλις 20 περίπου χιλιοστά του γραμμαρίου ανά παρτίδα. Η μέθοδος ασυνεχούς ροής ίσως ενδείκνυται για εφαρμογές που απαιτούν μόνο μερικά γραμμάρια κουκίδων, δηλώνει ο Wong, όμως «το επόμενο βήμα που διαφαίνεται στον ορίζοντα είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος συνεχούς ροής για την κατασκευή κβαντικών κουκίδων» σε ποσότητες κιλών. Καθότι πολύ ευαίσθητη η χημεία των κβαντικών κουκίδων, «πρέπει να μάθουμε πώς να τη χειριζόμαστε σωστά μέσα σε έναν αντιδραστήρα, οπότε το μαθηματικό μας μοντέλο συνιστά μια εξαιρετική αφετηρία».
|
|
|
|
|
|
