Rozwój nanotechnologii odegrał kluczową rolę w badaniach naukowych w ostatnich dziesięcioleciach. Niekończące się nanomateriały są obecnie szeroko stosowane w wielu dziedzinach, od katalizy do biomedycyny. Spośród różnych nanomateriałów nanokryształy koloidalne mogą być jednym z najważniejszych materiałów branżowych i mają duże perspektywy zastosowania w wielu dziedzinach. Paul Alivisatos z University of California w Berkeley wykonał wiele przełomowych prac w dziedzinie nanotechnologii. Zadał takie pytanie w inauguracyjnym wydaniu słynnego czasopisma Nano Letters [1]: Dlaczego tak konkretny zakres skali może go zdefiniować? Nauka i czasopismo naukowe? Jaki jest szczególny punkt tak przekonującej skali nanometrowej? Tutaj opracowaliśmy mały przypis dotyczący próby rozwiązania tego problemu poprzez podsumowanie rozwoju kropek kwantowych (właśnie to Paul Alivisatos odegrał kluczową rolę w rozwoju materiałów kropek kwantowych) w różnych dziedzinach.

1. Definicja

Ogólnie, koloidalne nanokryształy to fragmenty kryształu o wielkości 1-100 nm w postaci metastabilnej w roztworze. Ze względu na swój rozmiar fizyczny i krytyczny rozmiar wielu właściwości, znaczny stosunek atomowy powierzchni, wiele właściwości koloidalnych nanokryształów wykazuje unikalne zjawisko związane z rozmiarem [3]. Tradycyjnie koloidalne nanokryształy dzieli się głównie na koloidalne nanokryształy metalu szlachetnego i koloidalne nanokrystaliczne półprzewodniki. Zgodnie z klasycznym efektem ograniczenia kwantowego, gdy promień geometryczny półprzewodnikowego nanokryształu koloidalnego jest mniejszy niż promień Boitonu ekscytonu materiału sypkiego, poziomy energii pasma walencyjnego i pasma przewodzenia pojawią się w postaci dyskretnej. To musi być związane z rozmiarem. Tak więc klasyczne badania odnosiły się do nanokryształów półprzewodnikowych o promieniu mniejszym lub równym promieniu Boer ekscytonu jako kropek kwantowych.

Rysunek 1 Struktura kropek kwantowych (powierzchnia i rdzeń) [2]

Rycina 2 Obraz TEM monodyspersyjnych nanokryształów CdSe [4]
Na początkowym etapie rozwoju kropek kwantowych badania koncentrowały się na dziedzinie chalkogenków metali. W 1993 r. Grupa Bawendi [4] MIT wstrzyknęła związki metaloorganiczne do rozpuszczalników wysokotemperaturowych, a związki te rozkładono termicznie i zarodkowano w roztworze w celu otrzymania chalkogenków metali, takich jak selenek kadmu (CdSe) o dobrej dyspergowalności. Nanokrystaliczny. Te wysokiej jakości nanokryształy półprzewodnikowe mają rozkład wielkości średnicy w zakresie od około 1 nm do 12 nm, mają jednolitą strukturę krystaliczną i wykazują zależne od wielkości właściwości emisji i pochłaniania światła. Jest to wczesny klasyk systematycznych badań kropek kwantowych w szybkim rozwoju badań nad nanokryształami półprzewodników. Jednak po dziesięcioleciach badań rozwojowych koncepcja kropek kwantowych została również rozszerzona z pierwotnych nanokryształów półprzewodnikowych, a obecnie materiały takie jak perowskitowe kropki kwantowe, węglowe kropki kwantowe i nieorganiczne kropki kwantowe bez kadmu stały się gorącymi punktami badawczymi. W związku z tym zostanie również zastosowane zastosowanie tych nowych materiałów.

2.Led

Rysunek 3 Drukowanie atramentowe QLED [7]
Już w 1994 r. P. Alivisatos i in. po raz pierwszy połączono kropki kwantowe CdSe z polimerami półprzewodnikowymi do produkcji nowych organiczno-nieorganicznych hybrydowych diod elektroluminescencyjnych. Opracowując nowe techniki składania, naukowcy skonstruowali wielowarstwowe kropki kwantowe, które umożliwiają transport ładunków. Zachowano także zalety tradycyjnych masowych nieorganicznych diod półprzewodnikowych pod względem stabilności termicznej, chemicznej i mechanicznej [5]. Jednak warstwa organiczna w tych urządzeniach będzie miała bardzo niską ruchliwość nośnika i przewodnictwo nanokrystaliczne, co bezpośrednio obniża wydajność urządzenia fotowoltaicznego. Około 2006 roku SJ Rosenthal [6] i inni przygotowali ultra mały nanokryształ CdSe jako biały fosfor. Kropki kwantowe mają bardzo jednorodny rozmiar i dużą powierzchnię właściwą, co znacznie zwiększa prawdopodobieństwo oddziaływania elektronów i dziur na powierzchnię nanokryształów, tak że przesunięcie Stokesa nanokryształów może osiągnąć 40-50 nm i wykazywać szerokie spektrum emisja w widocznym regionie. Charakterystyka Wynalezienie tego nowego białego luminoforu znacznie rozszerzyło możliwości zastosowania diod elektroluminescencyjnych z kropkami kwantowymi (QLED). W ostatnich latach laboratoryjne przygotowanie prototypowych urządzeń QLED stopniowo dojrzewało w zakresie badań nad projektowaniem i mechanizmami [7], a promocja przemysłowej produkcji wielkoformatowych matryc pikseli RGB stała się także miejscem badań. W dzisiejszych czasach rozwój technologii wzornictwa, takich jak druk atramentowy i druk transferowy, położył podwaliny pod dojrzałość wielkoformatowej technologii wyświetlania QLED i znacznie promował komercyjne zastosowanie QLED.

3. Obrazowanie żywe

Rycina 4 Kropki węgla do obrazowania optycznego in vivo [11]
Fluorescencja to narzędzie, które ma szeroki zakres zastosowań w dziedzinie biologicznej. W porównaniu z tradycyjnymi barwnikami fluorescencyjnymi kropki kwantowe charakteryzują się wysoką jasnością emisyjną, dużym współczynnikiem ekstynkcji molowej i szerokim spektrum absorpcji i mogą być stosowane jako substytut barwników fluorescencyjnych lub białek fluorescencyjnych. P. Alivisatos i in. [8] zastosował kropki kwantowe do znakowania fibroblastów w 1998 r., Co otworzyło zastosowanie kropek kwantowych jako sond fluorescencyjnych do obrazowania biomedycznego. Zespół badawczy Nie Shuminga również dokonał pionierskiej pracy w dziedzinie obrazowania. Zespół badawczy zastosował nie tylko kowalencyjne sprzężenie kropek kwantowych rdzeń-skorupa siarczek cynku / selenek kadmu z biomakromolekułami już w 1998 r., Aby uzyskać ultra wrażliwe nieizotopowe śledzenie [9], ale po raz pierwszy zdał sobie sprawę z tego, że u żywych zwierząt. W badaniach ukierunkowanych na guza i badań obrazowych [10] opracowano badania diagnostyczne choroby kropki kwantowej. Nieorganiczne nanokryształy, zwłaszcza nanokryształy na bazie kadmu, mogą powodować toksyczne działanie na organizmy, więc synteza kropek kwantowych o doskonałej biokompatybilności była gorącym punktem badań. Na przykład badania kropek kwantowych na bazie miedzi lub srebra mogą skutecznie zmniejszyć toksyczność biologiczną materiałów. Ponadto istotną strategią jest również rozwój bezmetalowych kropek kwantowych. Kropki węgla zsyntetyzowane przez Ya-Ping Sun i in. nadal zachowują znaczną intensywność fluorescencji po wstrzyknięciu myszom [11]. Oprócz toksyczności, optymalizacja obszaru emisji kropek kwantowych w celu lepszego dostosowania do okien biooptycznych w bliskiej podczerwieni stanowi również wyzwanie dla nanokrystalicznych zastosowań medycznych.

4. leczenie raka

Rycina 5 Mechanizm generowania tlenu singletowego z kropek kwantowych grafenu [13]
Terapia fotodynamiczna przekształciła się w zatwierdzony przez FDA program leczenia raka. Zasadniczo leki fotouczulające są stymulowane w organizmie do wytwarzania reaktywnych form tlenu, które zabijają komórki nowotworowe. Jednak fotouczulacz ma słabą rozpuszczalność w wodzie i ma tendencję do utraty aktywności fotochemicznej z powodu agregacji w ciele. W 2003 r. Zespół Burda [12] po raz pierwszy wyjaśnił potencjał rozwojowy kropek kwantowych CdSe jako fotouczulacza. Właściwości optyczne kropek kwantowych determinują, że jest to potężny pochłaniacz fotonów, który skutecznie przenosi energię, a jego funkcjonalizacja powierzchniowa zwiększa dyspersję w ciele. W celu rozwiązania problemu toksyczności Wang Pengfei z Instytutu Fizyki i Chemii Chińskiej Akademii Nauk oraz wspólny zespół Wenjun Zhang z City University of Hong Kong [13] stwierdzili, że kropki kwantowe grafenu mogą skutecznie wytwarzać singlet tlen i działaj na żywe guzy, aby zabić guzy Ponadto ostatnie badania rozszerzyły materiały kropek kwantowych na zastosowanie terapii fototermicznej nowotworów i radioterapii.

5. Sztuczna fotosynteza

Rycina 6 Korzyści zastosowania kropek kwantowych w dziedzinie sztucznej fotosyntezy [14]
Zgodnie z efektem ograniczania kwantowego przerwę pasmową kropek kwantowych można sztucznie skorygować za pomocą odpowiedniej metody, tak aby obszar emisji absorpcji kropek kwantowych mógł pokryć cały zakres widma światła widzialnego w porównaniu z odpowiednimi materiałami sypkimi i cząsteczkowymi barwniki Co więcej, efekty generowania ekscytonów i separacji ładunku przez kropki kwantowe są bardziej kontrolowane, więc zastosowanie kropek kwantowych w dziedzinie katalizy jest również bardzo ważnym zagadnieniem. W latach 80. badania nad modyfikacją kropek kwantowych do tlenku platyny lub rutenu [15] i innych promotorów mogą katalizować hydrolizę. Od tego czasu naukowcy pracują nad budowaniem sztucznej fotosyntezy opartej na kropkach kwantowych i nieustannie optymalizują jej wydajność. W 2012 r. Dokonano ważnego przełomu w fotokatalitycznej produkcji wodoru w układach katalitycznych kropek kwantowych. Krauss i in. [16] stwierdził, że po pokryciu kropek kwantowych CdSe kwasem liponowym, kropki kwantowe łatwo połączono z układem jon niklowo-liponowy, tworząc hybrydowy układ katalityczny. Przy napromieniowaniu światłem widzialnym układ ten może utrzymać wytwarzanie aktywnego wodoru przez co najmniej 360 godzin (wydajność kwantowa do 36%), co znacznie poprawia perspektywy zastosowania katalizatorów z metali nieszlachetnych. Jak dotąd, po dziesięcioleciach rozwoju systemów sztucznej fotosyntezy, weszły one w fazę eksploracji masowej produkcji i zastosowania na dużą skalę, kropki kwantowe mają przewagę nad metalami szlachetnymi pod względem źródła pozyskania i kosztów produkcji, ale rozwój bez kadmu przyjazne dla środowiska i wrażliwe na światło kropki kwantowe (takie jak kropki kwantowe selenku cynku) pozostają wyzwaniem przy wdrażaniu nowych systemów konwersji energii.

6.Perowskitowa kropka kwantowa

Ryc. 7 Struktura i właściwości kropek kwantowych perowskitu z halogenkiem bizmutu i ołowiu [17]
Jak dotąd nanokryształy siarczku metalu są najlepiej opracowanymi i najgłębszymi materiałami kropek kwantowych i mają najszerszy zakres zastosowań. W ciągu ostatnich pięciu lat kropki kwantowe o strukturze krystalicznej perowskitu stały się popularnym miejscem badań. Ten nowy rodzaj kropki kwantowej nie jest już siarczkiem metalu. Zamiast tego jest to halogenek metalu. Halogenek metalu o strukturze perowskitu wykazuje unikalne właściwości, takie jak nadprzewodnictwo i właściwości ferroelektryczne, które nie są dostępne w konwencjonalnych kropkach kwantowych. Najwcześniejsze organiczno-nieorganiczne hybrydowe nanokryształy perowskitu mają tę wadę, że są wyjątkowo wrażliwe na czynniki środowiskowe, takie jak tlen i wilgotność, co ogranicza rozwój tego materiału. Niemal w tym samym czasie grupa badawcza Kovalenko [17] była pionierem w przygotowaniu całkowicie nieorganicznych kropek kwantowych perowskitowych halogenków bizmutu i ołowiu w 2014 r. Ta koloidalna kropka kwantowa ma sześcienną strukturę krystaliczną perowskitu, a promień ekscytonu Bohra Nie przekracza 12 nm, a zatem wykazuje związane z wymiarami właściwości widmowe. Ten powstający materiał łączy zalety kropek kwantowych i materiałów perowskitowych w celu rozszerzenia potencjalnych zastosowań kropek kwantowych. W ciągu ostatniego roku lub dwóch kropki kwantowe perowskitu były wykorzystywane nie tylko w ogniwach fotowoltaicznych i optoelektronicznych urządzeniach wyświetlających, ale jeszcze nie zostały wyprodukowane. Nowe materiały laserowe [18] oferują nowe strategie.

7. Podsumowanie

Kropki kwantowe są reprezentatywnymi materiałami wyjaśniającymi „efekt wielkości” tak zwanych nanomateriałów. Zostały one zastosowane coraz szerzej w coraz większej liczbie dziedzin, od urządzeń optoelektronicznych, poprzez fotokatalizę, aż po biodetekcję, pokrywając prawie obecne i przyszłe codzienne potrzeby. Jednak ze względu na ograniczenia przestrzenne nie wspomniano o wielu materiałach członków rodziny kropek kwantowych, takich jak krzemowe kropki kwantowe, a wprowadzenie zastosowań materiałów pozostało w reprezentatywnych badaniach. Podsumowując te klasyczne paradygmaty badawcze, oczekuje się, że rozwój kropek kwantowych można do pewnego stopnia podsumować.
Bibliografia
Witamy w Nano Letters. Nano Letters. 2001, 1, 1.
 R. Kagan, E. Lifshitz, EH Sargent i in. Budowanie urządzeń z koloidalnych kropek kwantowych. Nauka. 2016, 353 (6302), aac5523.
 Peng. Esej na temat chemii syntetycznej nanokryształów koloidalnych. Nano Research. 2009, 2, 425–447.
 B. Murray, DJ Norris, MG Bawendi. Synteza i charakterystyka prawie monodyspersyjnych nanokrystalicznych półprzewodników CdE (E = S, Se, Te). J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706–8715.
 L. Colvin, MC Schlamp, AP Alivisatos. Diody elektroluminescencyjne wykonane z nanokryształów selenku kadmu i półprzewodnikowego polimeru Nature. 1994, 370, 354-357.
 J. Bowers, JR McBride, SJ Rosenthal. Emisja światła białego z nanokryształów selenku o magicznym rozmiarze. J. Am. Chem. Soc. 2006, 127, 15378–15379.
 Dai, Y. Deng, X. Peng, i in. Diody elektroluminescencyjne do wyświetlaczy wielkopowierzchniowych: ku świtowi komercjalizacji. Advanced Materials, 2017, 29, 1607022.
 Bruchez, M. Moronne, P. Gin i in. Półprzewodniki Nanokryształy jako fluorescencyjne etykiety biologiczne. Science 1998, 281, 2013-2016.
 CW Chan, S. Nie. Biokoniugaty z kropką kwantową do ultraczułego nieizotopowego wykrywania. Science, 1998, 281, 2016-2018.
 Gao, Y. Cui, RM Levenson i in. Celowanie i obrazowanie raka in vivo za pomocą półprzewodnikowych kropek kwantowych. Nat. Biotech., 2004, 22, 969-976.
 ST. Yang, L. Cao, PG Luo i in. Kropki węgla do obrazowania optycznego in vivo. Jestem. Chem. Soc. 2009, 131, 11308–11309.
 CS Samia, X. Chen, C. Burda. Półprzewodnikowe kropki kwantowe do terapii fotodynamicznej. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 15736-15737.
Ge, M. Lan, B. Zhou i in. Środek do terapii fotodynamicznej z kropką kwantową grafenu o wysokim wytwarzaniu tlenu przez singlet. Nat. Commun 2014, 5, 4596.
 XB. Li, CH. Tung, LZ. Wu. Półprzewodnikowe kropki kwantowe do sztucznej fotosyntezy. Rev. Chem. 2018, 2, 160-173.
 Kalyanasundaram, E. Borgarello, D. Duonghong i in. Odszczepianie wody przez naświetlanie światłem widzialnym koloidalnych roztworów CdS; Hamowanie fotokorozji przez RuO2. Angew. Chem. Int. Ed. 1981, 20.
 Han, F. Qiu, R. Eisenberg i in. Solidna fotogeneracja H2 w wodzie za pomocą nanokryształów półprzewodników i katalizatora niklowego. Science 2012, 338, 1321-1324.
 Protesescu, S. Yakunin, MI Bodnarchuk, i in. Nanokryształy perowskitów halogenku ołowiu cezu (CsPbX3, X = Cl, Br i I): nowy materiał optoelektroniczny wykazujący jasną emisję z szeroką gamą kolorów. Nano Lett. 2015, 15, 3692–3696.
 Wang, X. Li, J. Song, i in. Całkowicie nieorganiczne koloidalne kropki kwantowe perowskitowe: nowa klasa materiałów laserowych o korzystnych właściwościach. Advanced Materials, 2015, 27, 7101-7108.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

pl_PLPolski