En exposiciones internacionales se están demostrando muchas tecnologías de visualización nuevas, pero no todas son viables o tienen las capacidades adecuadas para una implementación comercial exitosa. Una de las agradables excepciones es la tecnología de puntos cuánticos, que ya se utiliza en la iluminación de fondo de las pantallas LCD. Vale la pena hablar con más detalle de esta innovación técnica.

Puntos cuánticos

Los puntos cuánticos son nanopartículas de materiales semiconductores. Sus parámetros están determinados por sus tamaños: a medida que disminuye el tamaño del cristal, aumenta la distancia entre los niveles de energía. Cuando un electrón se mueve a más nivel bajo, se emite un fotón. Al cambiar el tamaño del punto, se puede ajustar la energía del fotón y, como resultado, el color de la luz.

Este no es un descubrimiento nuevo; de hecho, los puntos cuánticos se crearon hace más de treinta años. Pero hasta hace poco se utilizaban sólo en casos especiales. instrumentos cientificos en laboratorios. En sentido estricto, los puntos cuánticos son elementos microscópicos capaces de emitir luz en un rango estrecho de longitudes de onda. Además, dependiendo de su tamaño, la luz puede ser verde, roja o azul.

Al cambiar su tamaño, puede controlar con precisión la longitud de onda de la luz emitida. Esta tecnología, utilizada en los modelos de televisores modernos, se remonta a 2004, cuando se fundó la empresa QD Vision. Inicialmente, el personal de este laboratorio de investigación intentó utilizar puntos cuánticos para reemplazar los tintes orgánicos al marcar varios sistemas biológicos, pero luego decidieron probar la tecnología en televisores.

Empresas de renombre pronto se sumaron a esta idea. En particular, en 2010, los investigadores trabajaron junto con LG en el proyecto QLED. Sin embargo, el concepto mismo de tecnología en relación con los televisores LCD estuvo sujeto a cambios constantemente, su nombre funcional también cambió varias veces. Un año después, en colaboración con Samsung, se creó un prototipo de pantalla a color basada en puntos cuánticos. Sin embargo, no entró en la serie. La última implementación de este concepto es parte de la tecnología Color IQ de Sony, que introdujo la pantalla retroiluminada Triluminos.

Como sabe, todos los televisores LCD crean una imagen mezclando colores básicos: rojo, verde y azul (modelo RGB). A veces se agrega amarillo, lo que, sin embargo, no afecta significativamente el sistema de creación de imágenes en la pantalla LCD. La mezcla de colores RGB en los televisores LCD se realiza mediante filtros de color y, en paneles de plasma- gracias al fósforo.

En los modelos LCD clásicos, se utilizan LED "blancos" como iluminación de fondo. El color en el espectro blanco, al pasar por filtros de color, da una cierta tonalidad. Los modelos más avanzados utilizan LED de fósforo que emiten luz en la región azul. Esta luz luego se mezcla con el amarillo para volverse visualmente blanca. Para crear en la pantalla a partir de colores blancos similares, respectivamente, rojo, azul y verde, se utilizan filtros de luz. Esto es bastante efectivo, pero aun así desperdicia mucha energía. Además, aquí los ingenieros deben buscar un cierto equilibrio entre la calidad de reproducción cromática y el brillo de la retroiluminación.

Ventajas de los televisores de puntos cuánticos

Hace dos años, Sony presentó por primera vez modelos producidos en masa de dispositivos de televisión con retroiluminación Triluminos, que utiliza puntos cuánticos. Este es, en particular, el KD-65X9000A. La luz de fondo utiliza diodos azules, pero no hay fósforo amarillo. Como resultado, la luz azul, sin mezclarse, pasa directamente a través de un elemento IQ especial que contiene puntos cuánticos rojos y verdes. El fabricante considera que las principales ventajas de la tecnología son una reproducción cromática más profunda y la minimización de las pérdidas de brillo.

Se espera que, en comparación con la retroiluminación LED, los puntos cuánticos proporcionen un aumento en gama de colores casi el 50 por ciento. La gama de colores de los nuevos televisores Sony con retroiluminación Triluminos se acerca al 100% NTSC, mientras que los modelos con retroiluminación normal tienen alrededor del 70% NTSC. Por lo tanto, se puede afirmar que los televisores con retroiluminación de puntos cuánticos pueden mejorar la calidad de la imagen, haciendo que la reproducción del color sea más realista.

¿Pero cuánto más realista? Después de todo, ¿se sabe que en los mismos televisores Sony la imagen se crea utilizando los filtros habituales que mezclan colores? Es bastante difícil responder a esta pregunta; mucho depende de la percepción subjetiva de la calidad de la imagen. En cualquier caso, los felices propietarios de los primeros televisores Sony con nueva iluminación notan que la imagen en la pantalla parece un cuadro pintado con pinturas de colores más puros.

El hecho de que otras empresas líderes se unieran inmediatamente a la implementación de esta innovación tecnológica confirma que los puntos cuánticos no son sólo una estrategia de marketing. En CES 2015, Samsung presentó televisores SUHD, que también implementaron una tecnología similar. Se observa que los nuevos televisores ofrecen más alta calidad imágenes a un precio inferior a los modelos OLED. LG también presentó televisores con tecnología de puntos cuánticos (Quantum Dot) en la exposición ULTRA HD.

La comparación con OLED no es casual. Después de todo, muchas empresas recurrieron por primera vez a la tecnología OLED como una forma de mejorar la calidad de imagen de los televisores modernos, pero encontraron problemas con su producción cuando los lanzaron en serie. Esto es especialmente cierto para los televisores OLED con diagonales de pantalla grandes y resolución ultraalta.

En forma de puntos cuánticos, se encontró una especie de opción de respaldo: la gama de colores en estos televisores es casi tan buena como en las pantallas OLED y prácticamente no hay problemas con el desarrollo industrial de la tecnología. Esto permite a las empresas producir televisores que rivalizarán con la tecnología OLED en calidad de imagen sin dejar de ser asequibles. a un amplio círculo consumidores.

Numerosos métodos espectroscópicos que aparecieron en la segunda mitad del siglo XX (microscopía electrónica y de fuerza atómica, espectroscopia de resonancia magnética nuclear, espectrometría de masas) parecerían que la microscopía óptica tradicional fue "retirada" hace mucho tiempo. Sin embargo, el hábil uso del fenómeno de la fluorescencia prolongó más de una vez la vida del "veterano". Este artículo hablará sobre puntos cuánticos(nanocristales semiconductores fluorescentes), que dieron nueva fuerza a la microscopía óptica y permitieron mirar más allá del notorio límite de difracción. Único propiedades físicas Los puntos cuánticos los convierten en una herramienta ideal para la grabación multicolor ultrasensible de objetos biológicos, así como para el diagnóstico médico.

El trabajo da ideas sobre principios fisicos, definiendo las propiedades únicas de los puntos cuánticos, las principales ideas y perspectivas para el uso de nanocristales y hablando de ya logros alcanzados sus aplicaciones en biología y medicina. El artículo se basa en los resultados de una investigación realizada en últimos años en el Laboratorio de Biofísica Molecular del Instituto de Química Bioorgánica que lleva su nombre. MM. Shemyakin y Yu.A. Ovchinnikova junto con la Universidad de Reims y el bielorruso Universidad Estatal, cuyo objetivo es desarrollar una nueva generación de tecnología de biomarcadores para diversas áreas del diagnóstico clínico, incluido el cáncer y las enfermedades autoinmunes, así como crear nuevos tipos de nanosensores para el registro simultáneo de muchos parámetros biomédicos. La versión original del trabajo fue publicada en Nature; hasta cierto punto, el artículo se basa en el segundo seminario del Consejo de Jóvenes Científicos del IBCh RAS. - Ed.

Parte I, teórica

Figura 1. Niveles de energía discretos en nanocristales. Semiconductor "sólido" ( izquierda) tiene una banda de valencia y una banda de conducción separadas por una banda prohibida P.ej. Nanocristal semiconductor ( a la derecha) se caracteriza por niveles de energía discretos, similares a los niveles de energía de un solo átomo. En un nanocristal P.ej es función del tamaño: un aumento en el tamaño de un nanocristal conduce a una disminución P.ej.

La reducción del tamaño de las partículas conduce a la manifestación de propiedades muy inusuales del material del que está hecho. La razón de esto son los efectos de la mecánica cuántica que surgen cuando el movimiento de los portadores de carga es espacialmente limitado: la energía de los portadores en este caso se vuelve discreta. Y el número de niveles de energía, como enseña la mecánica cuántica, depende del tamaño del "pozo de potencial", de la altura de la barrera de potencial y de la masa del portador de carga. Un aumento en el tamaño del "pozo" conduce a un aumento en el número de niveles de energía, que se acercan cada vez más entre sí hasta que se fusionan y el espectro de energía se vuelve "sólido" (Fig. 1). El movimiento de los portadores de carga se puede limitar a lo largo de una coordenada (formando películas cuánticas), a lo largo de dos coordenadas (cables o hilos cuánticos) o en las tres direcciones; estas serán puntos cuánticos(CONNECTICUT).

Los nanocristales semiconductores son estructuras intermedias entre grupos moleculares y materiales "sólidos". Los límites entre materiales moleculares, nanocristalinos y sólidos no están claramente definidos; sin embargo, el rango de 100 ÷ 10.000 átomos por partícula puede considerarse provisionalmente el "límite superior" de los nanocristales. El límite superior corresponde a tamaños para los cuales el intervalo entre niveles de energía excede la energía de las vibraciones térmicas. kt (k- Constante de Boltzmann, t- temperatura) cuando los portadores de carga se vuelven móviles.

La escala de longitud natural para las regiones excitadas electrónicamente en semiconductores "continuos" está determinada por el radio del excitón de Bohr. una x, que depende de la fuerza de la interacción de Coulomb entre el electrón ( mi) Y agujero (h). En nanocristales del orden de magnitud. a x el tamaño en sí Comienza a influir en la configuración de la pareja. e–h y de ahí el tamaño del excitón. Resulta que, en este caso, las energías electrónicas están determinadas directamente por el tamaño del nanocristal; este fenómeno se conoce como "efecto de confinamiento cuántico". Utilizando este efecto, es posible regular la banda prohibida del nanocristal ( P.ej), simplemente cambiando el tamaño de partícula (Tabla 1).

Propiedades únicas de los puntos cuánticos.

Como objeto físico, los puntos cuánticos se conocen desde hace mucho tiempo y son una de las formas más desarrolladas en la actualidad. heteroestructuras. Una característica especial de los puntos cuánticos en forma de nanocristales coloidales es que cada punto es un objeto aislado y móvil ubicado en un disolvente. Con estos nanocristales se pueden construir diversos asociados, híbridos, capas ordenadas, etc., a partir de los cuales se construyen elementos de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, sondas y sensores para el análisis en microvolúmenes de materia, diversos sensores nanométricos fluorescentes, quimioluminiscentes y fotoelectroquímicos. .

La razón de la rápida penetración de los nanocristales semiconductores en una variedad de Diferentes areas La ciencia y la tecnología son sus características ópticas únicas:

• pico de fluorescencia simétrico estrecho (a diferencia de los tintes orgánicos, que se caracterizan por la presencia de una "cola" de onda larga; Fig. 2, izquierda), cuya posición está controlada por la elección del tamaño del nanocristal y su composición (Fig. 3);
• amplia banda de excitación, que permite excitar nanocristales de diferentes colores con una fuente de radiación (Fig. 2, izquierda). Esta ventaja es fundamental a la hora de crear sistemas de codificación multicolor;
• alto brillo de fluorescencia, determinado por un alto valor de extinción y un alto rendimiento cuántico (para nanocristales de CdSe/ZnS, hasta 70%);
• fotoestabilidad excepcionalmente alta (Fig. 2, a la derecha), lo que permite el uso de fuentes de excitación de alta potencia.

Figura 2. Propiedades espectrales Puntos cuánticos de cadmio-selenio (CdSe). Izquierda: Una sola fuente puede excitar nanocristales de diferentes colores (la flecha indica la excitación con un láser de argón con una longitud de onda de 488 nm). El recuadro muestra la fluorescencia de nanocristales de CdSe/ZnS de diferentes tamaños (y, en consecuencia, colores) excitados por una fuente de luz (lámpara UV). A la derecha: Los puntos cuánticos son extremadamente fotoestables en comparación con otros tintes comunes, que se degradan rápidamente bajo el haz de una lámpara de mercurio en un microscopio de fluorescencia.

Figura 3. Propiedades de los puntos cuánticos de diferentes materiales. Arriba: Rangos de fluorescencia de nanocristales fabricados a partir de diferentes materiales. Abajo: Los puntos cuánticos de CdSe de diferentes tamaños cubren todo el rango visible de 460 a 660 nm. Abajo a la derecha: Diagrama de un punto cuántico estabilizado, donde el “núcleo” está cubierto con una capa semiconductora y una capa protectora de polímero.

Recepción de tecnología

La síntesis de nanocristales se lleva a cabo mediante inyección rápida de compuestos precursores en el medio de reacción a alta temperatura(300–350 °C) y posterior crecimiento lento de nanocristales a temperaturas relativamente bajas (250–300 °C). En el modo de síntesis de "enfoque", la tasa de crecimiento de las partículas pequeñas es mayor que la tasa de crecimiento de las grandes, como resultado de lo cual disminuye la dispersión en el tamaño de los nanocristales.

La tecnología de síntesis controlada permite controlar la forma de las nanopartículas mediante la anisotropía de los nanocristales. La estructura cristalina característica de un material en particular (por ejemplo, el CdSe se caracteriza por un empaquetamiento hexagonal - wurtzita, Fig. 3) media las direcciones de crecimiento "preferidas" que determinan la forma de los nanocristales. Así se obtienen los nanobarras o tetrápodos: nanocristales alargados en cuatro direcciones (Fig. 4).

Figura 4. Forma diferente Nanocristales de CdSe. Izquierda: nanocristales esféricos de CdSe/ZnS (puntos cuánticos); en el centro: en forma de varilla (barras cuánticas). A la derecha: en forma de tetrápodos. (Microscopía electrónica de transmisión. Marca - 20 nm.)

Barreras para la aplicación práctica.

Existen una serie de restricciones sobre la aplicación práctica de nanocristales de semiconductores del grupo II-VI. En primer lugar, su rendimiento cuántico de luminiscencia depende en gran medida de las propiedades del medio ambiente. En segundo lugar, la estabilidad de los "núcleos" de los nanocristales en soluciones acuosas también pequeño. El problema radica en los "defectos" superficiales que desempeñan el papel de centros de recombinación no radiativos o "trampas" para excitados. e–h vapor.

Para superar estos problemas, los puntos cuánticos se encierran en una capa que consta de varias capas de material de gran espacio. Esto le permite aislar e-h se emparejan en el núcleo, aumentan su vida útil, reducen la recombinación no radiativa y, por lo tanto, aumentan el rendimiento cuántico de fluorescencia y fotoestabilidad.

En este sentido, hasta la fecha, los nanocristales fluorescentes más utilizados tienen una estructura de núcleo/cáscara (Fig. 3). Los procedimientos desarrollados para la síntesis de nanocristales de CdSe/ZnS permiten alcanzar un rendimiento cuántico del 90%, cercano al de los mejores tintes fluorescentes orgánicos.

Parte II: Aplicaciones de puntos cuánticos en forma de nanocristales coloidales

Fluoróforos en medicina y biología.

Las propiedades únicas de los QD permiten su uso en casi todos los sistemas de etiquetado y visualización de objetos biológicos (con la excepción únicamente de etiquetas intracelulares fluorescentes, expresadas genéticamente: proteínas fluorescentes bien conocidas).

Para visualizar objetos o procesos biológicos, los QD se pueden introducir en el objeto directamente o con moléculas de reconocimiento "cosidas" (generalmente anticuerpos u oligonucleótidos). Los nanocristales penetran y se distribuyen por todo el objeto según sus propiedades. Por ejemplo, los nanocristales de diferentes tamaños penetran las membranas biológicas de diferentes maneras y, dado que el tamaño determina el color de la fluorescencia, las diferentes áreas del objeto también adquieren colores diferentes (Fig. 5). La presencia de moléculas de reconocimiento en la superficie de los nanocristales permite una unión selectiva: ¡el objeto deseado (por ejemplo, un tumor) se tiñe de un color determinado!

Figura 5. Objetos para colorear. Izquierda: Imagen fluorescente confocal multicolor de la distribución de puntos cuánticos en el contexto de la microestructura del citoesqueleto celular y el núcleo en células fagocíticas humanas THP-1. Los nanocristales permanecen fotoestables en las células durante al menos 24 horas y no causan alteraciones de la estructura y función celular. A la derecha: acumulación de nanocristales “entrecruzados” con péptido RGD en la zona del tumor (flecha). A la derecha está el control, se introdujeron nanocristales sin péptido (nanocristales de CdTe, 705 nm).

Codificación espectral y “microchips líquidos”

Como ya se indicó, el pico de fluorescencia de los nanocristales es estrecho y simétrico, lo que permite aislar de forma fiable la señal de fluorescencia de nanocristales de diferentes colores (hasta diez colores en el rango visible). Por el contrario, la banda de absorción de los nanocristales es amplia, es decir, nanocristales de todos los colores pueden ser excitados por una única fuente de luz. Estas propiedades, así como su alta fotoestabilidad, hacen que los puntos cuánticos sean fluoróforos ideales para la codificación espectral multicolor de objetos, similar a un código de barras, pero utilizando códigos multicolores e "invisibles" que emiten fluorescencia en la región infrarroja.

Actualmente, se utiliza cada vez más el término "microchips líquidos", que permite, al igual que los clásicos chips planos, donde los elementos de detección están ubicados en un plano, realizar análisis de muchos parámetros simultáneamente utilizando microvolúmenes de una muestra. El principio de codificación espectral utilizando microchips líquidos se ilustra en la Figura 6. Cada elemento de microchip contiene cantidades específicas de QD de ciertos colores, y la cantidad de opciones codificadas puede ser muy grande.

Figura 6. Principio de codificación espectral. Izquierda: microchip plano "normal". A la derecha:“microchip líquido”, cada elemento del cual contiene cantidades específicas de QD de ciertos colores. En norte niveles de intensidad de fluorescencia y metro colores, el número teórico de opciones codificadas es m−1. Entonces, para 5 a 6 colores y 6 niveles de intensidad, habrá entre 10 000 y 40 000 opciones.

Estos microelementos codificados se pueden utilizar para marcar directamente cualquier objeto (por ejemplo, valores). Cuando se integran en matrices poliméricas, son extremadamente estables y duraderos. Otro aspecto de aplicación es la identificación de objetos biológicos en el desarrollo de métodos de diagnóstico temprano. El método de indicación e identificación consiste en que se adjunta una molécula de reconocimiento específica a cada elemento del microchip codificado espectralmente. Hay una segunda molécula de reconocimiento en la solución, a la que se "cose" un fluoróforo de señal. La aparición simultánea de fluorescencia del microchip y una señal de fluoróforo indica la presencia del objeto estudiado en la mezcla analizada.

La citometría de flujo se puede utilizar para analizar micropartículas codificadas en línea. Una solución que contiene micropartículas pasa a través de un canal irradiado con láser, donde cada partícula se caracteriza espectralmente. El software del instrumento le permite identificar y caracterizar eventos asociados con la aparición de ciertos compuestos en una muestra, por ejemplo, marcadores de cáncer o enfermedades autoinmunes.

En el futuro se podrán crear microanalizadores basados ​​en nanocristales semiconductores fluorescentes para realizar registros simultáneos de forma inmediata. numero enorme objetos.

Sensores moleculares

El uso de QD como sonda permite medir parámetros ambientales en áreas locales, cuyo tamaño es comparable al tamaño de la sonda (escala nanométrica). El funcionamiento de tales instrumentos de medición se basa en el uso del efecto Förster de transferencia de energía resonante no radiativa (transferencia de energía resonante de Förster - FRET). La esencia del efecto FRET es que cuando dos objetos (donante y aceptor) se acercan y se superponen espectro de fluorescencia primero de espectro de absorción en segundo lugar, la energía se transfiere de forma no radiativa y, si el aceptor puede emitir fluorescencia, brillará con el doble de intensidad.

Ya hemos escrito sobre el efecto FRET en el artículo “ Ruleta para espectroscopista » .

Tres parámetros de los puntos cuánticos los convierten en donantes muy atractivos en sistemas de formato FRET.

1. La capacidad de seleccionar la longitud de onda de emisión con alta precisión para obtener la máxima superposición entre los espectros de emisión del donante y la excitación del aceptor.
2. La capacidad de excitar diferentes QD con la misma longitud de onda de una única fuente de luz.
3. Posibilidad de excitación en región espectral, lejos de la longitud de onda de emisión (diferencia >100 nm).

Hay dos estrategias para utilizar el efecto FRET:

• registro del acto de interacción entre dos moléculas debido a cambios conformacionales en el sistema donante-aceptor y
• registro de cambios en las propiedades ópticas del donante o aceptor (por ejemplo, espectro de absorción).

Este enfoque hizo posible implementar sensores de tamaño nanométrico para medir el pH y la concentración de iones metálicos en una región local de la muestra. elemento sensible Un sensor de este tipo contiene una capa de moléculas indicadoras que cambian las propiedades ópticas cuando se unen al ion detectado. Como resultado de la unión, cambia la superposición entre los espectros de fluorescencia del QD y los espectros de absorción del indicador, lo que también cambia la eficiencia de la transferencia de energía.

Se implementa un enfoque que utiliza cambios conformacionales en el sistema donante-aceptor en un sensor de temperatura a nanoescala. La acción del sensor se basa en un cambio de temperatura en la forma de la molécula de polímero que conecta el punto cuántico y el aceptor - extintor de fluorescencia. Cuando cambia la temperatura, cambian tanto la distancia entre el extintor y el fluoróforo como la intensidad de la fluorescencia, a partir de la cual se puede llegar a una conclusión sobre la temperatura.

Diagnóstico molecular

Del mismo modo se puede detectar la ruptura o formación de un vínculo entre un donante y un aceptor. La Figura 7 demuestra el principio de registro "sándwich", en el que el objeto registrado actúa como un vínculo de conexión ("adaptador") entre el donante y el aceptante.

Figura 7. Principio de registro mediante el formato FRET. La formación de un conjugado (“microchip líquido”)-(objeto registrado)-(fluoróforo señal) acerca al donante (nanocristal) al aceptor (tinte AlexaFluor). La radiación láser por sí sola no excita la fluorescencia del tinte; la señal fluorescente aparece sólo debido a la transferencia de energía resonante del nanocristal de CdSe/ZnS. Izquierda: Estructura de un conjugado con transferencia de energía. A la derecha: Diagrama espectral de excitación del tinte.

Un ejemplo de la implementación de este método es la creación de un kit de diagnóstico para una enfermedad autoinmune. esclerodermia sistémica(esclerodermia). En este caso, el donante eran puntos cuánticos con una longitud de onda de fluorescencia de 590 nm, y el aceptor era un tinte orgánico, AlexaFluor 633. Se "cosió" un antígeno en la superficie de una micropartícula que contenía puntos cuánticos para un autoanticuerpo, un marcador de esclerodermia. Se introdujeron en la solución anticuerpos secundarios marcados con tinte. En ausencia de un objetivo, el tinte no se acerca a la superficie de la micropartícula, no hay transferencia de energía y el tinte no emite fluorescencia. Pero si aparecen autoanticuerpos en la muestra, se forma un complejo de micropartículas, autoanticuerpos y colorantes. Como resultado de la transferencia de energía, el tinte se excita y su señal de fluorescencia con una longitud de onda de 633 nm aparece en el espectro.

La importancia de este trabajo radica también en que los autoanticuerpos pueden utilizarse como marcadores de diagnóstico en las primeras etapas del desarrollo de enfermedades autoinmunes. Los "microchips líquidos" permiten crear sistemas de prueba en los que los antígenos se encuentran en condiciones mucho más naturales que en un avión (como en los microchips "normales"). Los resultados ya obtenidos allanan el camino para la creación de un nuevo tipo de pruebas de diagnóstico clínico basadas en el uso de puntos cuánticos. Y la implementación de enfoques basados ​​en el uso de microchips líquidos codificados espectralmente permitirá determinar simultáneamente el contenido de muchos marcadores, lo que es la base para un aumento significativo en la confiabilidad de los resultados de diagnóstico y el desarrollo de métodos de diagnóstico temprano. .

Dispositivos moleculares híbridos

Posibilidad de gestión flexible características espectrales Los puntos cuánticos abren el camino a los dispositivos espectrales a nanoescala. En particular, los QD basados ​​en cadmio-telurio (CdTe) han permitido ampliar la sensibilidad espectral. bacteriorrodopsina(bP), conocido por su capacidad de utilizar energía luminosa para "bombear" protones a través de una membrana. (Las bacterias utilizan el gradiente electroquímico resultante para sintetizar ATP).

De hecho, se ha obtenido un nuevo material híbrido: unir puntos cuánticos a membrana morada- una membrana lipídica que contiene moléculas de bacteriorrodopsina densamente empaquetadas - amplía el rango de fotosensibilidad a las regiones UV y azul del espectro, donde la bP "ordinaria" no absorbe la luz (Fig. 8). El mecanismo de transferencia de energía a la bacteriorrodopsina desde un punto cuántico que absorbe luz en las regiones ultravioleta y azul sigue siendo el mismo: es FRET; El aceptor de radiación en este caso es de retina- el mismo pigmento que actúa en el fotorreceptor rodopsina.

Figura 8. “Actualización” de bacteriorrodopsina mediante puntos cuánticos. Izquierda: un proteoliposoma que contiene bacteriorrodopsina (en forma de trímeros) con puntos cuánticos basados ​​en CdTe "cosidos" (que se muestran como esferas naranjas). A la derecha: esquema para ampliar la sensibilidad espectral de bR debido a CT: región del espectro adquisiciones QD está en las partes ultravioleta y azul del espectro; rango emisiones Se puede "ajustar" eligiendo el tamaño del nanocristal. Sin embargo, en este sistema, los puntos cuánticos no emiten energía: la energía migra de forma no radiativa a la bacteriorrodopsina, que sí funciona (bombea iones H + al liposoma).

Los proteoliposomas («vesículas» lipídicas que contienen un híbrido bP-QD) creados a partir de dicho material bombean protones hacia sí mismos cuando se iluminan, lo que reduce efectivamente el pH (Fig. 8). Esta invención aparentemente insignificante puede en el futuro constituir la base de dispositivos optoelectrónicos y fotónicos y encontrar aplicación en el campo de la energía eléctrica y otros tipos de conversiones fotoeléctricas.

En resumen, cabe destacar que los puntos cuánticos en forma de nanocristales coloidales son los objetos más prometedores de las nanotecnologías, bionano y biocobre. Después de la primera demostración de las capacidades de los puntos cuánticos como fluoróforos en 1998, hubo una pausa de varios años asociada con la formación de nuevos enfoques originales para el uso de nanocristales y la realización de las capacidades potenciales que poseen estos objetos únicos. Pero en los últimos años ha habido un fuerte aumento: la acumulación de ideas y sus implementaciones han determinado un gran avance en la creación de nuevos dispositivos y herramientas basadas en el uso de puntos cuánticos semiconductores nanocristalinos en biología, medicina, ingeniería electrónica, tecnología de usar energía solar y muchos otros. Por supuesto, todavía quedan muchos problemas sin resolver en este camino, pero el creciente interés, el creciente número de equipos que trabajan en estos problemas, el creciente número de publicaciones dedicadas a esta área, nos permiten esperar que los puntos cuánticos se conviertan en la base de la próxima generación de equipos y tecnologías.

Grabación de vídeo del discurso de V.A. Oleynikova en el segundo seminario del Consejo de Jóvenes Científicos del IBCh RAS, realizado el 17 de mayo de 2012.

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"Nanotecnología" es una palabra con historia compleja Y el contexto en ruso, lamentablemente, está un poco desacreditado. Sin embargo, si ignoramos las irónicas connotaciones socioeconómicas, podemos afirmar que en los últimos años las nanotecnologías han comenzado a tomar forma a partir de un concepto científico y teórico, que en un futuro previsible puede convertirse en productos comerciales reales y entrar en nuestras vidas.

Un gran ejemplo de esto son los puntos cuánticos. Las tecnologías que utilizan nanopartículas semiconductoras están encontrando gradualmente aplicaciones en entornos completamente Varias áreas: medicina, imprenta, energía fotovoltaica, electrónica: algunos de los productos todavía existen a nivel de prototipo, en algunos lugares la tecnología se ha implementado parcialmente y algunos ya están en uso práctico.

Entonces, ¿qué es un “punto cuántico” y con qué se come?

Un punto cuántico es un nanocristal de material inorgánico. material semiconductor(silicio, fosfuro de indio, seleniuro de cadmio). "Nano" significa medido en partes por mil millones, y los tamaños de dichos cristales oscilan entre 2 y 10 nanómetros. Debido a su pequeño tamaño, los electrones de las nanopartículas se comportan de manera muy diferente a los de los semiconductores en masa.

El espectro de energía de un punto cuántico es heterogéneo; tiene niveles de energía separados para un electrón (una partícula cargada negativamente) y un agujero. Un agujero en los semiconductores se llama agujero vacío. enlace de valencia, transportador Carga positiva numéricamente igual al electrón, aparece cuando se rompe el enlace entre el núcleo y el electrón.

Si se crean las condiciones bajo las cuales el portador de carga en el cristal se mueve de un nivel a otro, durante esta transición se emite un fotón. Al cambiar el tamaño de las partículas, se puede controlar la frecuencia de absorción y la longitud de onda de esta radiación. En la práctica, esto significa que, dependiendo del tamaño de las partículas del punto, cuando se irradian, brillarán en diferentes colores.

La capacidad de controlar la longitud de onda de la radiación a través del tamaño de las partículas permite obtener sustancias estables a partir de puntos cuánticos que convierten la energía que absorben en radiación luminosa: fósforos fotoestables.

Las soluciones basadas en puntos cuánticos son superiores a los fósforos orgánicos e inorgánicos tradicionales en una serie de parámetros que son importantes para aquellas aplicaciones prácticas que requieren luminiscencia precisa y sintonizable.

Ventajas de los puntos cuánticos:

• Fotoestable, conserva propiedades fluorescentes durante varios años.
• Alta resistencia al fotodesvanecimiento: 100 – 1000 veces mayor que la de los fluoróforos orgánicos.
• Alto rendimiento cuántico de fluorescencia: hasta el 90 %.
• Amplio espectro de excitación: de UV a IR (400 – 200 nm).
• Alta pureza del color gracias a los altos picos de fluorescencia (25-40 nm).
• Alta resistencia a la degradación química.

Otra ventaja, especialmente para la impresión, es que los puntos cuánticos se pueden utilizar para crear soles: sistemas coloidales altamente dispersos con un medio líquido en el que se distribuyen pequeñas partículas. Esto significa que se pueden utilizar para producir soluciones adecuadas para la impresión por inyección de tinta.

Áreas de aplicación de los puntos cuánticos:

Protección de documentos y productos contra falsificación: valores, billetes, cédulas de identidad, timbres, precintos, certificados, cédulas, tarjetas plásticas, marcas. Un sistema de codificación multicolor basado en puntos cuánticos puede tener demanda comercial para marcar con colores productos en las industrias alimentaria, farmacéutica, química, joyería y obras de arte.

Debido a que la base líquida puede ser a base de agua o curable con UV, con la ayuda de tinta con puntos cuánticos se puede marcar casi cualquier objeto, para papel y otras bases absorbentes, tinta a base de agua, y para los no absorbentes (vidrio). , madera, metal, polímeros sintéticos, compuestos) – tinta UV.

Marcador en investigaciones médicas y biológicas. Debido a que los marcadores biológicos, fragmentos de ADN y ARN que reaccionan a un tipo específico de célula, se pueden aplicar a la superficie de los puntos cuánticos, se pueden utilizar como contraste en estudios biológicos y diagnóstico de cáncer en etapas tempranas. , cuando el tumor aún no se detecta mediante los métodos de diagnóstico estándar.

El uso de puntos cuánticos como etiquetas fluorescentes para el estudio de células tumorales in vitro es uno de los más prometedores y rápidos áreas en desarrollo Aplicaciones de los puntos cuánticos en biomedicina.

Implementación masiva Esta tecnología sólo se ve obstaculizada por la cuestión de la seguridad del uso de contrastes de puntos cuánticos en estudios invivo, ya que La mayoría de Están fabricados con materiales muy tóxicos y sus tamaños son tan pequeños que atraviesan fácilmente cualquier barrera corporal.

Pantallas de puntos cuánticos: QLED: la tecnología para crear pantallas LCD con retroiluminación LED mediante puntos cuánticos ya ha sido probada por los principales fabricantes de productos electrónicos. El uso de esta tecnología permite reducir el consumo de energía de la pantalla, aumentar el flujo luminoso en comparación con las pantallas LED en un 25-30%, más colores ricos, reproducción de color clara, profundidad de color, la capacidad de hacer que las pantallas sean ultradelgadas y flexibles.

Samsung presentó el prototipo de la primera pantalla que utiliza esta tecnología en febrero de 2011, y Philips lanzó la primera pantalla de computadora.

Utiliza puntos cuánticos para producir colores rojo y verde a partir del espectro de emisión de LED azules, lo que garantiza una reproducción del color casi natural. En 2013, Sony lanzó una pantalla QLED que funciona según el mismo principio. EN este momento Esta tecnología para producir pantallas grandes no se utiliza mucho debido a los altos costos de producción.

Láser de puntos cuánticos. Un láser cuyo medio de trabajo son puntos cuánticos en la región emisora ​​tiene varias ventajas en comparación con los láseres semiconductores tradicionales basados ​​en pozos cuánticos. Ellos tienen mejores características en términos de banda de frecuencia, intensidad del ruido, son menos sensibles a los cambios de temperatura.

Debido al hecho de que cambiar la composición y el tamaño de un punto cuántico le permite controlar medio activo Un láser de este tipo hizo posible trabajar en longitudes de onda que antes eran inaccesibles. Esta tecnología se utiliza activamente en la práctica de la medicina; con su ayuda se creó un bisturí láser.

Energía

También se han desarrollado varios modelos de células solares de película delgada basadas en puntos cuánticos. Se basan en el siguiente principio de funcionamiento: los fotones de luz inciden en un material fotovoltaico que contiene puntos cuánticos, estimulando la aparición de un par de electrón y hueco, cuya energía es igual o superior a la energía mínima necesaria para un electrón de un semiconductor dado para pasar de un estado ligado a uno libre. Cambiando el tamaño de los nanocristales del material, es posible variar el “rendimiento energético” del material fotovoltaico.

Basándose en este principio, ya se han creado varios prototipos funcionales originales. varios tipos paneles solares.

En 2011, investigadores de la Universidad de Notre Dame propusieron una “pintura solar” a base de dióxido de titanio que podría convertir cualquier objeto en una célula solar. Tiene una eficiencia bastante baja (sólo el 1%), pero su producción es barata y puede producirse en grandes volúmenes.

En 2014, científicos de Massachusetts Instituto de Tecnologia presentó un método para fabricar células solares a partir de capas ultrafinas de puntos cuánticos, la eficiencia de su desarrollo es del 9% y el principal conocimiento radica en la tecnología de combinar puntos cuánticos en una película.

En 2015, el Centro de Laboratorio de Energía Solar Fotovoltaica Avanzada de Los Álamos propuso su diseño para células solares de ventana con una eficiencia del 3,2%, consistentes en un concentrador cuántico luminiscente transparente que podría ocupar un espacio suficientemente grande. área grande y fotocélulas solares compactas.

Pero los investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos (NREL), en busca de la combinación óptima de metales para producir una celda con la máxima eficiencia cuántica, crearon un verdadero poseedor del récord de rendimiento: la eficiencia cuántica interna y externa de su batería en las pruebas fue de 114 % y 130%, respectivamente.

Estos parámetros no son la eficiencia de la batería, que ahora muestra un porcentaje relativamente pequeño: solo el 4,5%, sin embargo, optimizar la recopilación de fotos no fue el objetivo clave del estudio, que consistió únicamente en seleccionar la combinación más efectiva de elementos. . Sin embargo, vale la pena señalar que antes del experimento NREL, ninguna batería había demostrado una eficiencia cuántica superior al 100%.

Como vemos, las posibles áreas de aplicación práctica de los puntos cuánticos son amplias y los desarrollos teóricos se están llevando a cabo en varias direcciones a la vez. Su introducción masiva en diversos campos se ve obstaculizada por una serie de limitaciones: el alto costo de producir los propios puntos, su toxicidad, la imperfección y la ineficacia económica de la propia tecnología de producción.

En un futuro muy próximo, es posible que se generalice un sistema de codificación de colores y marcado con tinta basado en puntos cuánticos. Al darse cuenta de que este nicho de mercado aún no está ocupado, pero es prometedor y requiere muchos conocimientos, la empresa IQDEMY, como una de las tareas de investigación de su laboratorio químico (Novosibirsk), identificó el desarrollo de una formulación óptima de tinta curable por UV. y tinta a base de agua que contiene puntos cuánticos.

Las primeras muestras de impresión recibidas son impresionantes y abren nuevas perspectivas para el desarrollo práctico de esta tecnología:

Puntos cuánticos y por qué están instalados

• tecnologías cuánticas,
• monitores y televisiones

¡Buenos días, Habrazhiteliki! Creo que mucha gente ha notado que los anuncios sobre pantallas basadas en tecnología de puntos cuánticos, las llamadas pantallas QD – LED (QLED), han comenzado a aparecer cada vez con más frecuencia, y a pesar de que este momento es sólo marketing. Similar a LED TV y Retina, esta es una tecnología para crear pantallas LCD que utiliza LED basados ​​​​en puntos cuánticos como luz de fondo.

Su humilde servidor decidió descubrir qué son los puntos cuánticos y para qué se utilizan.

en lugar de introducir

El espectro de energía de un punto cuántico es discreto y la distancia entre los niveles de energía estacionarios del portador de carga depende del tamaño del propio punto cuántico como - ħ/(2md^2), donde:

1. ħ - constante de Planck reducida;
2. d es el tamaño característico del punto;
3. m es la masa efectiva de un electrón en un punto

Tipos de puntos cuánticos

• puntos cuánticos epitaxiales;
• Puntos cuánticos coloidales.

Diseño de puntos cuánticos

Ahora sobre las pantallas

Para crear un prototipo, se aplica una capa de solución de puntos cuánticos a una placa de circuito de silicio y se rocía un disolvente. Luego se presiona un sello de goma con una superficie de peine en la capa de puntos cuánticos, se separa y se estampa sobre vidrio o plástico flexible. Así es como se aplican franjas de puntos cuánticos a un sustrato. En las pantallas a color, cada píxel contiene un subpíxel rojo, verde o azul. Por ello, estos colores se utilizan con diferentes intensidades para obtener el mejor resultado posible. más sombras.

El siguiente paso en el desarrollo fue la publicación de un artículo de científicos del Instituto Indio de Ciencias de Bangalore. Donde se describieron puntos cuánticos que brillan no solo en naranja, sino también en el rango del verde oscuro al rojo.

¿Por qué la pantalla LCD es peor?

PD Vale la pena señalar que el ámbito de aplicación de los puntos cuánticos no se limita solo a los monitores LED, sino que también se pueden utilizar en transistores de efecto de campo, fotocélulas, diodos láser y existe la posibilidad de utilizarlos en medicina y computación cuántica; también se está estudiando.

PPS Si hablamos de mi opinión personal, entonces creo que no serán populares durante los próximos diez años, no porque sean poco conocidos, sino porque los precios de estas pantallas están por las nubes, pero todavía quiero esperar que la tecnología cuántica Los puntos encontrarán su aplicación en la medicina y se utilizarán no sólo para aumentar las ganancias, sino también para buenos propósitos.

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Puntos cuánticos- estos son cristales diminutos, emitiendo luz con valor de color ajustable con precisión. Tecnología cuántica punto LED mejora notablemente la calidad de imagen sin afectar el coste final de los dispositivos, en teoría :).

Los televisores LCD convencionales sólo pueden cubrir entre el 20 y el 30% de la gama de colores que el ojo humano puede percibir. La imagen es muy realista, pero esta tecnología no está destinada a la producción en masa. diagonales grandes muestra. Quienes siguen el mercado de los televisores recuerdan que a principios de 2013 Sony presentó el primer TV basada en puntos cuánticos (Quantum dot LED, QLED). Los principales fabricantes de televisores lanzarán modelos de televisores de puntos cuánticos este año; Samsung ya los presentó en Rusia con el nombre SUHD, pero hablaremos más de eso al final del artículo. Averigüemos en qué se diferencian las pantallas fabricadas con tecnología QLED de los televisores LCD ya familiares.

Los televisores LCD carecen de colores puros

Después de todo, las pantallas de cristal líquido constan de 5 capas: la fuente es luz blanca, emitido por LED, que pasa por varios filtros polarizadores. Los filtros situados en la parte delantera y trasera, junto con cristales líquidos, controlan el flujo de luz que pasa, reduciendo o aumentando su brillo. Esto sucede gracias a los transistores de píxeles, que afectan la cantidad de luz que pasa a través de los filtros (rojo, verde, azul). El color generado de estos tres subpíxeles, sobre los que se aplican filtros, proporciona un cierto valor de color del píxel. La mezcla de colores se realiza con bastante fluidez, pero es simplemente imposible obtener rojo, verde o azul puro de esta manera. El obstáculo son los filtros que transmiten no solo una onda de cierta longitud, sino toda una serie de ondas de diferentes longitudes. Por ejemplo, la luz naranja también pasa a través de un filtro rojo.

Un LED emite luz cuando se le aplica voltaje. Debido a esto, los electrones (e) se transfieren del material tipo N al material tipo P. El material tipo N contiene átomos con un exceso de electrones. El material tipo P contiene átomos que carecen de electrones. Cuando el exceso de electrones ingresa en este último, liberan energía en forma de luz. En un cristal semiconductor convencional, normalmente se trata de luz blanca producida por muchas longitudes de onda diferentes. La razón de esto es que los electrones pueden estar en diferentes niveles de energía. Como resultado, los fotones resultantes (P) tienen diferentes energías, lo que resulta en diferentes longitudes de onda de radiación.

Estabilización de la luz con puntos cuánticos.

EN Televisores QLED Los puntos cuánticos actúan como fuente de luz: son cristales de sólo unos pocos nanómetros de tamaño. En este caso, no es necesaria una capa con filtros de luz, ya que cuando se les aplica voltaje, los cristales siempre emiten luz con una longitud de onda claramente definida y, por tanto, un valor de color. Este efecto se logra mediante las diminutas dimensiones de un punto cuántico, en el que un electrón, como en un átomo, sólo puede moverse en un espacio limitado. Al igual que en un átomo, el electrón de un punto cuántico sólo puede ocupar niveles de energía estrictamente definidos. Debido a que estos niveles de energía también dependen del material, es posible ajustar específicamente las propiedades ópticas de los puntos cuánticos. Por ejemplo, para obtener el color rojo se utilizan cristales de una aleación de cadmio, zinc y selenio (CdZnSe), cuyo tamaño es de aproximadamente 10 a 12 nm. Aleación de cadmio y selenio adecuada para amarillo, verde y colores azules, este último también se puede obtener utilizando nanocristales de un compuesto de zinc y azufre con un tamaño de 2 a 3 nm.

Producción en masa cristales azules muy complejo y caro, por lo que el televisor presentado en 2013 por Sony no es un “pura sangre” Televisor QLED basado en puntos cuánticos. En la parte posterior de las pantallas que producen hay una capa de LED azules, cuya luz pasa a través de una capa de nanocristales rojos y verdes. De este modo, sustituyen esencialmente a los filtros de luz habituales actualmente. Gracias a esto, la gama de colores aumenta un 50% en comparación con los televisores LCD convencionales, pero no alcanza el nivel de una pantalla QLED “pura”. Estos últimos, además de una gama cromática más amplia, tienen otra ventaja: ahorran energía, ya que no es necesaria una capa con filtros de luz. Gracias a esto, la parte frontal de la pantalla de los televisores QLED también recibe Más luz, que en los televisores convencionales, que transmiten sólo alrededor del 5% del flujo luminoso.

Televisor QLED con pantalla Quantum Dot de Samsung

Samsung Electronics presentó en Rusia televisores premium fabricados con tecnología de puntos cuánticos. Los nuevos productos con una resolución de 3840 × 2160 píxeles no eran baratos y el modelo insignia tenía un precio de 2 millones de rublos.

Innovaciones. Los televisores Samsung SUHD curvos basados ​​​​en puntos cuánticos se diferencian de los modelos LCD comunes por sus características de mayor reproducción cromática, contraste y consumo de energía. El motor de remasterización SUHD integrado le permite mejorar el contenido de vídeo de baja resolución a 4K. Además, los nuevos televisores recibieron las funciones de retroiluminación inteligente Peak Illuminator y Precision Black, la tecnología Nano Crystal Color (mejora la saturación y naturalidad de los colores), UHD Dimming (proporciona un contraste óptimo) y Auto Depth Enhancer (ajusta automáticamente el contraste para ciertas áreas). de la imagen). EN base del programa Los televisores se basan en el sistema operativo Tizen con la plataforma Samsung Smart TV actualizada.

Precios. La familia de televisores Samsung SUHD se presenta en tres episodios(JS9500, JS9000 y JS8500), donde el costo comienza en 130 mil rublos. Esto es lo que costará a los compradores rusos el modelo UE48JS8500TXRU de 48 pulgadas. El precio máximo de un televisor con puntos cuánticos alcanza los 2 millones de rublos, para el modelo UE88JS9500TXRU con pantalla curva de 88 pulgadas.

Los televisores de nueva generación que utilizan tecnología QLED están siendo preparados por Samsung Electronics y LG Electronics de Corea del Sur, TCL e Hisense de China y Sony de Japón. Este último ya ha lanzado televisores LCD fabricados con tecnología de puntos cuánticos, que mencioné en la descripción de la tecnología LED de puntos cuánticos.