Οι επιστήμονες δημιούργησαν φιλικά προς το περιβάλλον «κβαντικά μελάνια» που μπορούν να αντικαταστήσουν τοξικά μέταλλα στους ανιχνευτές υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να κάνει την νυχτερινή όραση ταχύτερη, πιο καθαρή και πιο προσιτή σε ένα ευρύτερο φάσμα βιομηχανιών.
Τοξικά μέταλλα Vs Υπέρυθρη Ακτινοβολία
Οι κατασκευαστές των υπέρυθρων καμερών, είναι αντιμέτωποι με μια όλο και πιο απαιτητική πρόκληση. Πολλά από τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τους σημερινούς ανιχνευτές, όπως είναι τα τοξικά βαρέα μέταλλα, περιορίζονται πλέον από περιβαλλοντικούς κανονισμούς. Ως αποτέλεσμα, οι εταιρείες αναγκάζονται να επιλέξουν ανάμεσα στην απόδοση ή τη συμμόρφωση με τους περιβαλλοντικούς κανονισμούς. Οι αυστηρότεροι κανόνες, έχουν επιβραδύνει τη διάδοση της τεχνολογίας υπέρυθρων στις αγορές, παρά την αυξανόμενη ζήτηση σε τομείς όπως τα αυτόνομα οχήματα, η ιατρική απεικόνιση και η εθνική ασφάλεια.
Η ομάδα του NYU Tandon School of Engineering παρουσίασε μια υποσχόμενη εναλλακτική λύση σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο ACS Applied Materials & Interfaces. Η προσέγγισή τους αντικαθιστά τον υδράργυρο, τον μόλυβδο και άλλες ουσίες, με φιλικές προς το περιβάλλον κβαντικές τελείες, οι οποίες μπορούν να ανιχνεύουν το υπέρυθρο φως χωρίς τη χρήση επικίνδυνων υλικών.
Η εναλλακτική με κβαντικές τελείες
Αντί των παραδοσιακών, αργών και δαπανηρών μεθόδων κατασκευής, που απαιτούν την τοποθέτηση ατόμων με υπερβολική ακρίβεια σε κάθε pixel του ανιχνευτή (σαν να συναρμολογούμε ένα παζλ κάτω από μικροσκόπιο), οι ερευνητές στράφηκαν στις κολλοειδείς κβαντικές τελείες.
Αυτές οι κβαντικές τελείες δημιουργούνται εξ ολοκλήρου σε υγρή μορφή, σαν να φτιάχνουμε μελάνι, και στη συνέχεια εφαρμόζονται χρησιμοποιώντας κλιμακούμενες τεχνικές επίστρωσης που είναι ήδη κοινές σε βιομηχανίες όπως η συσκευασία και η εκτύπωση εφημερίδων. Η μετάβαση από την κατασκευή «άτομο-ανά-άτομο» σε αυτή τη διαδικασία μπορεί να μειώσει σημαντικά το κόστος παραγωγής και να καταστήσει τη μαζική εμπορική χρήση ανιχνευτών υπέρυθρης ακτινοβολίας πολύ πιο προσιτή .
Σημεία συμφόρησης στη βιομηχανία και πρωτοπορίες
«Η βιομηχανία αντιμετωπίζει μια «τέλεια καταιγίδα», όπου οι περιβαλλοντικοί κανονισμοί αυστηροποιούνται την ίδια στιγμή που η ζήτηση για υπέρυθρη απεικόνιση εκτοξεύεται», λέει ο Ayaskanta Sahu, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής (CBE) του NYU Tandon και κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Αυτό δημιουργεί πραγματικά εμπόδια για τις εταιρείες που προσπαθούν να αυξήσουν την παραγωγή συστημάτων θερμικής απεικόνισης».
Μια ακόμα πρόκληση που αντιμετώπισαν οι ερευνητές ήταν η αύξηση της αγωγιμότητας του κβαντικού μελανιού, ώστε να μπορεί να μεταφέρει σήματα από το εισερχόμενο φως. Αυτό επιτεύχθηκε μέσω μιας τεχνικής που ονομάζεται ανταλλαγή υποκαταστατών σε διάλυμα (solution-phase ligand exchange), η οποία προσαρμόζει τη χημεία της επιφάνειας των κβαντικών τελειών για βελτιωμένη απόδοση στις ηλεκτρονικές συσκευές.
Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής που συχνά αφήνουν ραγισμένες ή ανομοιόμορφες επιφάνειες, η διεργασία που βασίζεται στο διάλυμα παράγει ομαλές, ομοιόμορφες επιστρώσεις σε ένα μόνο βήμα, ιδανικές για κλιμακούμενη βιομηχανική παραγωγή.
Εκτυφλωτικά γρήγορη απόκριση και ευαισθησία
Οι συσκευές που προέκυψαν εμφανίζουν εντυπωσιακή απόδοση: ανταποκρίνονται σε υπέρυθρο φως σε χρονικά διαστήματα μικροδευτερολέπτων – για να καταλάβουμε, το ανθρώπινο μάτι αναβοσβήνει εκατοντάδες φορές πιο αργά – και μπορούν να ανιχνεύσουν σήματα τόσο αμυδρά όσο ένα νανοβάτ φωτός.
«Αυτό που με ενθουσιάζει είναι ότι μπορούμε να πάρουμε ένα υλικό που θεωρούνταν για πολύ καιρό πολύ δύσκολο για πραγματικές συσκευές και να το σχεδιάσουμε ώστε να είναι πιο ανταγωνιστικό», λέει ο μεταπτυχιακός ερευνητής Shlok J. Paul, κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Με περισσότερο χρόνο, αυτό το υλικό έχει τη δυνατότητα να αποδώσει σε μεγαλύτερο βάθος του υπέρυθρου φάσματος, όπου λίγα υλικά υπάρχουν για τέτοιες εφαρμογές»
Διάφανα ηλεκτρόδια: Το κομμάτι που έλειπε
Η εργασία αυτή έρχεται να προστεθεί σε προηγούμενη έρευνα από τους ίδιους κύριους ερευνητές, οι οποίοι είχαν αναπτύξει νέα διαφανή ηλεκτρόδια με ασημένια νανοσύρματα. Αυτά τα ηλεκτρόδια παραμένουν εξαιρετικά διαφανή στο υπέρυθρο φως, ενώ συλλέγουν αποτελεσματικά τα ηλεκτρικά σήματα, καλύπτοντας ένα βασικό στοιχείο του συστήματος της υπέρυθρης κάμερας.
Σε συνδυασμό με την προηγούμενη δουλειά τους σε διαφανή ηλεκτρόδια, αυτές οι εξελίξεις καλύπτουν και τα δύο κύρια στοιχεία των συστημάτων υπέρυθρης απεικόνισης. Οι κβαντικές τελείες παρέχουν δυνατότητα ανίχνευσης που είναι φιλική προς το περιβάλλον, ενώ τα διαφανή ηλεκτρόδια αναλαμβάνουν τη συλλογή και επεξεργασία των σημάτων.
Προς μεγάλης κλίμακας υπέρυθρες διατάξεις
Ο συνδυασμός αυτός, αντιμετωπίζει δυσκολίες σε συστοιχίες υπέρυθρης απεικόνισης μεγάλης περιοχής, οι οποίες απαιτούν υψηλής απόδοσης ανίχνευση σε ευρείες περιοχές και ανάγνωση σήματος από εκατομμύρια μεμονωμένα pixel ανιχνευτών. Τα διαφανή ηλεκτρόδια επιτρέπουν στο φως να φτάνει τους ανιχνευτές των κβαντικών τελειών, ενώ ανοίγουν ηλεκτρικές διαδρομές για την εξαγωγή των σημάτων.
«Οι υπέρυθρες κάμερες ενός Tesla ή ενός smartphone, χρειάζονται ανιχνευτές που πληρούν τους περιβαλλοντικούς κανονισμούς ενώ εξακολουθούν να είναι αποδοτικές», εξηγεί ο Sahu. «Η προσέγγισή μας θα μπορούσε να κάνει τις τεχνολογίες αυτές πιο προσιτές».
H απόδοση εξακολουθεί να μην μπορεί να ανταγωνιστεί τους καλύτερους ανιχνευτές βαρέων μετάλλων σε κάποιες μετρήσεις. Ωστόσο, οι ερευνητές περιμένουν πως, η συνέχιση των εξελίξεων στη σύνθεση κβαντικών κουκκίδων και η μηχανική συσκευών, θα καταφέρουν να μειώσουν αυτό το κενό.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου