نقاط كوانتومي، منبع جديد انرژي انقلابي ‌نوين ‌در ‌صنعت

واضح آرشیو وب فارسی:جام جم آنلاین: نقاط كوانتومي، منبع جديد انرژي انقلابي ‌نوين ‌در ‌صنعت
جام جم آنلاين: اگرچه هيچ منبع قدرتي نظير خورشيد وجود ندارد، اما تاكنون استفاده از اين منبع ارزان و فراوان انرژي عملي نشده است؛ البته علت عمده اين مساله، گران بودن هزينه توليد و استفاده از سلول‌هاي خورشيدي است. اكنون به نظر مي‌رسد فناوري نويني موسوم به نقاط كوانتومي استفاده از انرژي خورشيدي را براي مصرف‌كنندگان امكان‌پذير سازد.

اين نقاط در حقيقت كريستال‌هاي بسيار كوچك نيمه هادي هستند و تنها چند نانومتر قطر دارند و مي‌توانند استفاده از انرژي خورشيدي را از نظر صرف هزينه اوليه در فرآيند كسب و ذخيره‌سازي انرژي در مقايسه با استفاده از ديگر سوخت‌ها مقرون به صرفه‌تر كنند.

در اين ميان، استفاده از نقاط كوانتومي كه به عنوان اتم‌هاي مصنوعي هم شناخته مي شوند تنها در ساخت سلول‌هاي خورشيدي نيست، بلكه اين كريستال‌هاي كوچك در صنايع مختلف آنچنان كاربرد دارند كه به گفته محققان مي‌توانند انقلابي بزرگ در صنعت ايجاد كنند.

نقطه‌هاي كوانتومي نيمه هادي‌ها يا هادي‌هايي در ابعاد نانومتر هستند. اين نقاط كه از چند تا چند صد اتم تشكيل شده‌اند و با آرايش‌هاي گوناگوني كنار هم قرار گرفته‌اند در واقع جزايري هستند كه به وسيله ماده ديگري احاطه شده‌اند. اختلاف انرژي ميان اين دو ماده باعث مي‌شود الكترون‌هاي آزاد اين جزاير بر اساس قانون محصور‌سازي كوانتومي فقط انرژي‌هاي معيني داشته باشند.

مجموعه اين انرژي‌هاي مجاز، طيف جذبي و نشري نقاط كوانتومي را مشخص مي‌كند. مهم‌ترين نكته اين است كه طول موج‌هاي طيف نشري و جذبي به طور عمده به اندازه نقطه كوانتومي وابسته است. هر چقدر اندازه نقطه كوانتومي بيشتر باشد شكاف انرژي بزرگ‌تر و طول موج طيف كوچك‌تر خواهد شد.

به همين دليل است كه نقطه كوانتومي اتم مصنوعي هم گفته مي‌شود، زيرا همان‌طور كه در اتم، الكترون‌ها فقط در مدارهاي معيني با انرژي‌هاي مشخص مي‌توانند حضور داشته باشند، در نقطه كوانتومي هم الكترون‌هاي آزاد انرژي‌هايي مشخص داشته و در نواحي خاص از همان نقاط شانس حضور بيشتر دارند.

كاربردهاي استثنايي نقاط كوانتومي

اولين كاربرد نقطه كوانتومي كه امروزه كاملا صنعتي شده، ساخت نسل سوم سلول‌هاي خورشيدي است، البته نسل دوم اين سلول‌ها هنوز هم مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه داراي حداكثر بازده 33 درصد است، يعني فقط مي‌تواند تا حد 33 درصد از انرژي دريافت شده از تابش خورشيد را به الكتريسيته تبديل كند، اما به گفته دكتر ميرمنصور ضيابري، دانش‌آموخته دانشگاه علم و صنعت ايران، استفاده از نقاط كوانتومي نسل سوم سلول‌هاي خورشيدي بازده 60 درصد را به همراه دارد.

نكته قابل توجه اين است كه هزينه مربوط به بهاي هر مترمربع از اين صفحات همراه با نصب حدود 100 دلار يا كمتر است كه رقم زيادي محسوب نمي‌شود. به همين دليل در كشورهاي صنعتي، نوعي سلول‌هاي خورشيدي صفحه‌اي شكل به نام كاشي‌هاي سقفي مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه هم وظيفه پوشش سقف را انجام مي‌دهد و هم مقدار قابل ملاحظه‌اي انرژي الكتريكي توليد مي‌كند.

ضيابري درباره شيوه جذب انرژي در اين سلول‌ها مي‌گويد: در اين سيستم، طول موج‌هاي كوتاه‌تر در بالا و طول موج‌هاي بلند در پايين جذب مي‌شود و به اين ترتيب بخش بيشتري از انرژي تشعشعي خورشيد قابل جذب خواهد بود. استفاده نقاط كوانتومي در عمليات امنيتي از ديگر موارد كاربرد كوانتوم‌ها به شمار مي‌آيد.

با افزودن اين‌گونه نقاط كوانتومي به مخلوط مايعات و مسايل صنعتي، شبكه‌هاي پليمري و غيره و سپس كنترل طيف جذبي و نشري آن مي‌توان نوعي كد اعتباري براي هر يك از آنها ايجاد كرد، ويژگي‌اي كه با نيمه‌هادي‌هاي معمولي هرگز انجام شدني نيست.

ضيابري در خصوص كاربرد‌هاي ديگر اين نقاط مي‌گويد: نقطه‌هاي كوانتومي در سيستم امنيتي رديابي دشمن هم به كار مي‌روند بدين‌ترتيب كه در مرحله معيني از عمليات نظامي، اين نقاط كوانتومي همراه با گرد و خاك بر نيروهاي دشمن پاشيده مي‌شوند، بنابراين تا مدتي طولاني مي‌توان كليه وسايل و افراد دشمن را در‌نقاط مختلف رديابي كرد.

بررسي، ترميم، ساخت و كنترل سيستم‌هاي بيولوژيك انساني با استفاده از ادواتي با ابعاد و ساختار نانو از كاربردهاي متفاوت نقطه‌هاي كوانتومي در پزشكي محسوب مي‌شود.

ماشين‌‌هاي ميكروسكوپي در ابعاد نانو

امكان ساخته شدن ماشين‌هاي ميكروسكوپي با اين ابعاد كه اولين بار سال 1959 به وسيله ريچارد فاينمن پيش‌بيني شد و توسط اريك دركسلر برخي كاربردهاي اين ماشين‌ها در مبحثي به نام موتور خلقت تشريح شد، امروزه توسط گروه‌هاي تحقيقاتي و دانشگاهي در حال توليد و اصلاح است.

كاربردهاي عمده نقاط كوانتومي رايج مربوط به تشخيص از دور عوامل بيولوژيك و شيميايي، اندازه‌گيري و تشخيص آلودگي هوا و تشخيص‌هاي پزشكي غير مهاجم است.

علاوه بر آن، در پزشكي از آنها به عنوان نانو ذرات مغناطيسي، مهندسي بافت و چيپ‌هاي دي.ان.اي استفاده مي‌شود. اتصال نقاط كوانتومي با ابعاد 5 نانومتر به فيبرهاي اكتين و نقاط كوانتومي به ابعاد 5/3 نانومتر به هسته سلول از خصوصيات بارز اين سيستم محسوب مي‌شود؛ البته چنانچه اين نقاط كوانتومي خاصيت مغناطيسي هم داشته باشند مي‌توان از اختلاف اين ابعاد براي تشخيص يا درمان استفاده كرد. كاربرد ديگر اين خاصيت، استفاده‌ از اين ذرات با ابعاد نانو يا ميكرو مشتمل بر سلول‌هاي جانوري، باكتري‌ها و طلاي كلوئيدي (با ابعاد 100 نانومتر)‌ است كه با استفاده از شعاع ليزر به شكل آرايه‌اي سه بعدي هدايت وانباشت شده است و براي ترميم بافت مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

به گفته ضيابري، نقاط كوانتومي كه در ساخت ليزرهاي نقطه كوانتومي استفاده مي‌شوند از نظر ابعاد داراي اندازه 2 تا 10 نانومتر بوده و هر كدام از آنها از 10 تا 50 اتم تشكيل شده‌اند. بديهي است ساختن ساختارهاي الكترونيكي اينچنين كوچك بسيار مشكل است بنابراين معمولا از روشي به نام استرانسكي ‌ كراسناتوف استفاده مي‌شود كه در آن نقطه‌هاي كوانتومي هرمي شكل در فصل مشترك دو نيمه هادي با ثابت‌هاي بلوري متفاوت به صورت خودبه‌خودي به وجود مي‌آيند.

گفتني است نقطه كوانتومي داراي شكاف انرژي است كه به ابعاد آن بستگي دارد و همين شكاف است كه طول موج ليزر را معين مي‌كند، ولي فاكتور مهم ديگري نيز موجود است. اين كه ليزر بايد با فركانس بسيار زيادي قطع و وصل شود تا پالس‌هاي ليزري مزبور براي ارسال پيام‌هاي مخابراتي مورد استفاده قرار گيرد.

خوب است بدانيم در آينده‌اي نه چندان دور با استفاده از اين فناوري امكان ساخت پمپ‌هاي انتخابگر اكسيژن تكميل خواهد شد. اين موتورها كه در ابعاد نانو خواهند بود از محفظه خارجي اكسيژن را با شاخه‌هاي خود گرفته و با نيم دور چرخش آن را به محفظه داخلي انتقال مي‌‌دهند.

مسلم است با ساخته شدن اين‌گونه موتورها تحول عظيمي در دانش پزشكي ايجاد خواهد شد كه شايد يكي از مهم‌ترين آن ابداع سلول خوني مصنوعي است.

ابعاد اين سلول‌ها در حد يك ميكرومتر است و بنابر محاسبه مي‌تواند 1000 اتمسفر فشار را تحمل كند. اين سلول‌ها انرژي خود را از گلوكز دريافت مي‌كنند و 236 بار بيشتر از سلول خوني معمولي اكسيژن را به بافت مي‌رساند و اسيديته كربني را برطرف مي‌كند.

نقطه‌هاي كوانتومي و QCA

در شاخه‌اي ديگر هم از نقطه‌هاي كوانتومي استفاده شاياني به عمل مي‌آيد، ولي اين‌بار براي ساخت سلول‌هاي محاسباتي كه نام آن اتومات‌هاي سلولي كوانتومي انتخاب شده و به اختصار با QCA نشان داده مي‌شود.

البته در اين بخش تفاوت كار با بقيه قسمت‌ها اين است كه نمونه‌هاي ساخته شده تا امروز يا در درجه حرارت بسيار كم كار مي‌كنند يا امكان برقراري ارتباط بين آنها و سيستم‌هاي بيروني بسيار مشكل است، بديهي است در اينجا نمي‌‌توان نقاط كوانتومي را به صورت تصادفي انتخاب كرد و بايد هر يك از آنها در محل معيني قرار داشته باشد يا آن كه محل آنها بايد منطبق بر الگوي مشخصي باشد بنابراين معمولا از روش ليتوگرافي اشعه الكتروني براي ساخت آنها استفاده مي‌شود.

تاكنون ايننوع QCA‌ها در درجه حرارت‌هاي مختلف قابل بهره‌برداري نشده‌اند و به نظر مي‌رسد ساخت نمونه‌هاي عملي آنها در سال‌‌هاي پس از 2020 انجام پذير باشد. شكل نقاط كوانتومي در اينجا ديگر الزاما هرمي شكل نيست و مي‌‌تواند هر يك از سه شكل هرمي، مكعبي يا كروي را داشته باشد. هر QCA از 4 نقطه كوانتومي تشكيل شده است كه از ميان‌ آنها همواره 2 نقطه داراي يك الكترون اضافي هستند.

اين الكترون‌هاي اضافي به واسطه خاصيت دامنه‌اي كه دارند هميشه در دو طرف يك قطر قرار مي‌گيرند و اين ساختار، ستون فقرات رايانه‌هاي نسل آينده را تشكيل خواهد داد.

ولي بزرگ‌ترين مشكلي كه درباره QCA ‌ها وجود دارد قرار دادن دقيق هرQCA در محل مربوط است كه در پايان‌نامه دكتر ميرمنصور ضيابري كه به راهنمايي دكتر احمد كسايي انجام شده است به بررسي استحكام مدارات ساخته شده ازQCA پرداخته شده است. به اين مفهوم كه چون قرار دادن اينQCA ‌هاي مولكولي كاري مشكل است و وجود خطاها در مكان و زاويه اجتناب‌ناپذير است، چه بايد كرد كه با وجود خطاهاي فوق باز هم سيستم به درستي جواب دهد.

در اين تحقيق كه ابتدا دو سلول و سپس رديفي از سلول‌ها انتخاب شد مشخص شد هر چه فاصله سلول‌ها كمتر باشد زاويه كنترل‌پذيري بيشتر است. همچنين مشخص شد اگر هر يك يا همه سلول‌ها داراي خطاي مكاني محدودي باشند و هر يك يا همه در جاي خود با زاويه محدودي چرخيده باشند باز هم اطلاعات به درستي انتقال مي‌يابد.

گفتني است اين نوع انتقال اطلاعات در رشته‌هاي مختلفي از علوم وجود دارد و شبيه‌ترين مدل به اين سيستم در طبيعت، سيستم عصبي موجودات زنده است،‌ زيرا اطلاعات در يك طناب عصبي در يك رشته عبور نمي‌كند، بلكه از مجموعه‌اي از رشته‌ها به صورت موازي عبور مي‌كند و چنانچه اطلاعات يك رشته به هر علت محو شود، باز هم اطلاعات از رشته‌هاي مجاور عبور كرده و به پردازشگر نهايي يعني مغز مي‌رسد.

فرناز محمدي پور
يکشنبه 10 آذر 1387

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: جام جم آنلاین]

[مشاهده در: www.jamejamonline.ir]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 452]