So viele Farben und doch das gleiche Material

Ein Ausflug durch die Welt der Nanotechnologie - Teil 1; Quantenpunkte

In einem Sci-Fi-Schlagwort-Bingo ist Nanotechnologie fast immer präsent. Neben "Quanten" bedeutet es normalerweise "Science-Fiction-Magie", aber Nanotechnologie ist real und weit entfernt von Magie. Das Gebiet der Nanotechnologie ist unglaublich breit und weitreichend. Fast jeder Aspekt unseres Lebens kann und wird davon betroffen sein, wenn es noch nicht geschehen ist. Dies bedeutet, dass es viel zu erkunden gibt, jedes mit seinen eigenen Herausforderungen und Belohnungen. Während die Idee der Nanotechnologie schon lange besteht, machen wir erst in den letzten Jahren wirklich Fortschritte. In dieser Serie möchte ich Sie auf eine Tour durch einige meiner Lieblingsnanotechnologien mitnehmen, einige meiner Arbeiten daran und wo ich jedes Feld sehe.

Cadmiumselenid-Quantenpunkte

Eine meiner ersten Erfahrungen mit Nanomaterialien war mit einem sogenannten Quantenpunkt. Bevor ich fortfahre, sollte ich ein wenig über kleine Dinge erklären. Auf der Quantenebene von Atomen und Elektronen gehen unsere Vorstellungen von der traditionellen Newtonschen Physik aus dem Fenster. Dinge wie das Unsicherheitsprinzip und die Welle / Teilchen-Dualität der Materie werden zu den maßgeblichen Regeln. Quantenpunkte existieren auf der Grenze zwischen dieser Welt der Quantenverrücktheit und der Welt, mit der wir besser vertraut sind. Diese Teilchen bestehen nur aus einigen hundert bis einigen tausend Atomen und haben einige sehr seltsame Eigenschaften. Die Teilchen verhalten sich so, als wäre die gesamte Einheit 1 einzelnes Atom. Anstatt dass ihre Eigenschaften durch das Material definiert werden, aus dem sie bestehen, werden ihre Eigenschaften durch ihre Größe und Form bestimmt. Dies manifestiert sich am häufigsten in der Farbe der Partikel, insbesondere in der Farbe (oder Wellenlänge des Lichts), die die Partikel absorbieren, und auch in der Farbe, die sie emittieren. Wenn Sie größere Quantenpunkte beleuchten, emittieren sie eine längere Wellenlänge, die roter aussieht. Wenn Sie dies auch mit einem kleineren Quantenpunkt tun, emittieren sie eine Wellenlänge, die kürzer und blauer aussieht. Mit dieser Methode kann man die Partikel genau auf bestimmte Eigenschaften abstimmen, indem man einfach ihre Größe ändert. Mit Quantenpunkten müssen Sie nicht ein Dutzend verschiedener Moleküle konstruieren, um ein Dutzend Farben zu erzeugen. Sie können einfach die Größe ändern.

Als Quantenpunkte zum ersten Mal entdeckt wurden, bestanden sie aus Halbleitern wie Cadmiumsulfid und Cadmiumselenid. Diese Quantenpunkte leuchten hell und sind relativ einfach zu synthetisieren. Sie haben nur einen wirklichen Nachteil: Sie sind ziemlich giftig. In den letzten Jahren sind jedoch viel sicherere Alternativen häufiger geworden. Die ersten Quantenpunkte, die ich jemals gemacht habe, wurden nicht aus Cadmium hergestellt, sondern aus gewöhnlichem Haushaltszucker. Ich habe eine Technik namens hydrothermale Synthese verwendet, um sie herzustellen. Dies ist eine ausgefallene Art zu sagen, dass ich eine verdünnte Zuckerlösung erhitzt und alles unter Druck gehalten habe. Mein Druckbehälter, mit dem ich die Lösung unter Druck heiß halten konnte, bestand aus ein paar Rohrverbindungsstücken, die ich vom örtlichen Baumarkt erhalten hatte. Nun, ich würde nicht vorschlagen, dies zu wiederholen, da hoher Druck sehr gefährlich sein kann, aber überraschenderweise hatte ich nie katastrophale Ausfälle.

Selbst gemachter Rohrverbindungsreaktor (links) gegen handelsüblichen Edelstahl / Teflon-Reaktor (rechts)

Ich backte meine zuckerhaltige Flüssigkeit 8 Stunden lang bei 180 Grad in meinem Küchenofen und nahm sie dann zum Abkühlen heraus. Ich riss meinen Reaktor auf und blieb mit dieser dunkelbraunen Lösung zurück. Zuerst war ich skeptisch, dass wirklich etwas passiert war, aber dann schaltete ich das UV-Licht ein. Die Oberfläche der Flüssigkeit leuchtete wunderschön hellblau. Ich hatte erfolgreich Quantenpunkte auf Kohlenstoffbasis hergestellt. Es dauerte einige Experimente, aber ich schaffte es schließlich, gelbe und grüne Punkte zu machen, zuerst mit Zucker, dann mit anderen Kohlenstoffquellen wie Gelatine. Natürlich war dies alles das Replizieren von Papieren und keine bahnbrechende Forschung, aber es war ein Beweis dafür, dass die Technologie außerhalb eines teuren Labors funktionieren kann. Sie benötigen kein nanopures Wasser oder teure Reagenzien, nur eine Kohlenstoffquelle, Wärme und Druck.

Kohlenstoffquantenpunkte aus einfachem Haushaltszucker

Warum ist das alles so wichtig? Durch die durch Quantenpunkte einstellbaren Eigenschaften sind sie ideal für alles, was Absorptions- oder Emissionslicht erfordert. Es ist nicht schwer vorstellbar, auf wie viele Technologien sich Quantenpunkte auswirken werden. Wissenschaftler finden bereits ihren Weg in alles von LEDs bis hin zu Sonnenkollektoren und machen beide effizienter. Für LEDs bedeutet dies, dass Sie die Farbe genau auf das einstellen können, was Sie möchten. Für Sonnenkollektoren bedeutet dies, dass Sie ein Material herstellen können, das viele verschiedene Wellenlängen des Lichts absorbiert, indem Sie verschiedene Größen von Quantenpunkten mischen.

Ein Farbstofflaser unter Verwendung normaler Fluoreszenzfarbstoffe

Meistens wird dies mit den alten Punkten auf Cadmiumbasis gemacht, aber in jüngerer Zeit beginnen Quantenpunkte auf Kohlenstoff- und Graphenbasis zu konkurrieren. Eine andere Anwendung wären farbstoffbasierte Laser. Farbstofflaser sind großartig, da Sie durch Auswechseln des verwendeten Farbstoffs einen Laserstrahl mit einer anderen Farbe erhalten. Normalerweise sind die Farbstoffe jedoch teuer und nur in wenigen Farben erhältlich, sodass die Optionen begrenzt sind. Mit Quantenpunkten können Sie einen Laser in nahezu jeder Farbe herstellen, indem Sie einfach die Größe Ihrer Partikel ändern. Schließlich kommen wir zur Biologie, wo der Bedarf an Farbe größer ist als je zuvor. Erst als die ersten synthetischen Farbstoffe hergestellt wurden, wurde die verborgene Welt der Zelle sichtbar. Plötzlich konnten Wissenschaftler die einzelnen Stücke sehen und was sie tun. Aber auch hier sind Biologen auf eine kleine Anzahl von Verbindungen und Farben beschränkt. Quantenpunkte sind klein genug, um für viele der üblichen Färbeverfahren verwendet zu werden, und sie können so konstruiert werden, dass sie sich an alles halten, was der Biologe sehen muss. Mit der großen Vielfalt möglicher Farben bedeutet dies, dass ein Biologe viele verschiedene Dinge gleichzeitig färben und sehen kann, wie sie alle interagieren. Aus all dem ist klar, dass Quantenpunkte in zukünftigen Technologien eine wichtige Rolle spielen werden, und wir fangen gerade erst an, die Oberfläche zu kratzen. Einige Gruppen erwägen sogar, damit einen Quantencomputer zu bauen, aber das ist eine Diskussion für ein anderes Mal. Quantenpunkte werden immer einen Platz in meinem Nano-Engineering-Toolkit haben. Es gibt so viele aufregende Möglichkeiten und ich freue mich darauf, sie alle zu erkunden.

Meine Sammlung bunter fluoreszierender Nanopartikel