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L'incredibile viaggio dei punti quantici: perché vengono chiamati "atomi artificiali"
Nel campo della nanotecnologia e della scienza dei materiali, i punti quantici (QD) sono diventati di recente un argomento di grande attualità. Questi nanocristalli semiconduttori, grandi solo pochi nanometri, hanno proprietà ottiche ed elettroniche molto diverse da quelle delle particelle più grandi. I punti quantici sono così attraenti in parte per gli effetti di meccanica quantistica che mostrano, che hanno portato queste minuscole particelle a essere definite "atomi artificiali".
Si ritiene che i punti quantici possiedano proprietà intermedie tra quelle dei semiconduttori di massa e quelle degli atomi o delle molecole discrete.
Quando i punti quantici vengono esposti alla luce ultravioletta, gli elettroni vengono eccitati e portati a uno stato energetico più elevato. Nei punti quantici semiconduttori, questo processo corrisponde al trasferimento di elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Quando l'elettrone ritorna nella banda di valenza, rilascia energia luminosa: questa radiazione luminosa è chiamata fotoluminescenza. È interessante notare che il colore della luce emessa varia a seconda della differenza di energia dei punti quantici, e questa proprietà conferisce ai punti quantici un importante potenziale applicativo.
Le proprietà ottiche ed elettriche dei punti quantici cambiano quando cambiano forma e dimensione. In generale, i punti quantici con un diametro di 5-6 nanometri emettono radiazioni con lunghezze d'onda maggiori, come l'arancione o il rosso, mentre i punti quantici con un diametro di 2-3 nanometri emettono lunghezze d'onda di luce più corte, tra cui il blu e il verde. I colori esatti che appaiono dipendono dalla composizione chimica dei punti quantici. Queste proprietà fanno sì che i punti quantici mostrino potenziali prospettive di applicazione in molti campi dell'alta tecnologia, tra cui transistor a singolo elettrone, celle solari, LED, laser, sorgenti a singolo fotone, generazione di seconda armonica, calcolo quantistico, ricerca sulle cellule biologiche, microscopia e imaging medico. , ecc.
L'ampio potenziale applicativo dei punti quantici li rende uno strumento indispensabile in molte ricerche scientifiche.
I punti quantici possono essere preparati utilizzando diverse tecniche, tra cui la sintesi colloidale, l'autoassemblaggio e la stimolazione elettrica esterna. La sintesi colloidale è uno dei metodi più comuni e solitamente prevede il riscaldamento di una soluzione per indurre la decomposizione dei materiali di partenza, formando monomeri e generando nanocristalli. La temperatura e la concentrazione dei monomeri sono fattori chiave che influenzano la crescita dei cristalli. Durante questo processo, gli atomi attivati si riorganizzano e cristallizzano, influenzando le proprietà del punto quantico finale.
Nelle applicazioni pratiche, i punti quantici spesso richiedono strati aggiuntivi per migliorarne le prestazioni. Questi strati aggiuntivi possono ridurre il rischio di ricombinazione non radiativa e quindi aumentare la resa quantica della luce. Tra le varie eterostrutture dei punti quantici, le strutture di tipo I includono un nucleo semiconduttore avvolto in un secondo materiale, mentre le strutture di tipo II consentono la separazione spaziale dei portatori di carica, migliorando così la luminosità.
Una struttura tipica dei punti quantici è il sistema CdSe/ZnS, una combinazione di materiali di nucleo e guscio che consente a questi nanocristalli di emettere luce in modo efficiente.
Per quanto riguarda la fabbricazione di punti quantici, oltre alla sintesi colloidale, anche la sintesi al plasma è diventata sempre più popolare. Questo metodo è particolarmente adatto per la produzione di punti quantici legati covalentemente. Utilizzando il plasma non termico, gli scienziati possono controllare la forma, le dimensioni e la composizione dei punti quantici. Il metodo di produzione tradizionale è la doppia iniezione ad alta temperatura, che può supportare la produzione di massa, ma mantenere stabilità e qualità durante il processo di produzione rappresenta una sfida importante.
Con il progresso della tecnologia, molte aziende hanno iniziato a studiare materiali a punti quantici privi di metalli pesanti, che non solo soddisfano i requisiti di tutela ambientale, ma hanno anche prestazioni simili a quelle dei tradizionali punti quantici CdSe. Lo sviluppo della tecnologia dei punti quantici ha effetti trasformativi su molti settori, come la tecnologia dei display e l'imaging biomedico.
Considerazioni di carattere sanitario e ambientale rendono lo sviluppo di punti quantici privi di metalli pesanti una priorità assoluta, che prevede anche la cooperazione di microrganismi e l'applicazione di materiali diversi.
In sintesi, i punti quantici, in quanto scintillanti "atomi artificiali", promettono di offrire possibilità completamente nuove per la tecnologia del futuro. Non solo migliorano la nostra comprensione del mondo microscopico, ma promuovono anche l'innovazione di nuove tecnologie. Ciò significa che i punti quantici diventeranno una tecnologia onnipresente nel prossimo futuro?
