مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2023 لاكتشاف وتطوير النقاط الكمومية. وقد صرّحت لجنة نوبل قائلةً: "تُقدّم النقاط الكمومية فوائد جمّة للبشرية، وما زلنا في بداية استكشاف إمكانياتها". لا تُمثّل هذه الجائزة أعلى تقدير لأبحاث النقاط الكمومية فحسب، بل تُسلّط الضوء أيضًا على إمكاناتها الهائلة في مجالات مثل إضاءة الشاشات، وتحفيز الطاقة، والطب الحيوي، وتكنولوجيا الكم. يُركّز هذا التقرير الخاص على النقاط الكمومية المصنوعة من السيليكون، ولا سيما الأنظمة المُشتّتة في المذيبات، ويُقدّم عرضًا منهجيًا للتقدّم البحثي في طرق التركيب، والخصائص البنيوية، والخصائص البصرية، فضلًا عن تطبيقاتها في الثنائيات الباعثة للضوء (مصابيح LED) المُصنّعة بتقنية المعالجة بالمحاليل.
النقاط الكمومية عبارة عن بلورات نانوية شبه موصلة بأبعاد لا تتجاوز بضعة نانومترات. تتميز النقاط الكمومية الغروانية بعدة مزايا فريدة: إمكانية ضبط حجمها للحصول على انبعاث ضوئي كامل الألوان من خلال عمليات لا تتطلب فراغًا؛ وإمكانية وصول مردودها الكمي للتألق الضوئي إلى 100%؛ ونطاق انبعاث ضيق يتراوح بين 20 و40 نانومترًا، مع نطاق ألوان يفوق نطاق الثنائيات العضوية الباعثة للضوء بثلاثة إلى أربعة أضعاف؛ وإمكانية تحضيرها في درجة حرارة الغرفة باستخدام طرق المحاليل منخفضة الحرارة. بفضل هذه الخصائص، تم تحقيق هياكل ذات غلاف ونواة مع تحكم هندسي دقيق في فجوة النطاق، وتم تطوير منتجات تجارية بنجاح، مثل أجهزة تلفزيون النقاط الكمومية. ومن المتوقع أن تلعب النقاط الكمومية دورًا محوريًا في تطوير الثنائيات الباعثة للضوء المصغرة، والثنائيات الباعثة للضوء ذات الحجم الميكروني، وتقنيات الثنائيات الباعثة للضوء القائمة على النقاط الكمومية، وأن تدفع عجلة تطوير تقنيات الجيل القادم للإلكترونيات الضوئية التي تركز على الإنسان، مثل الأجهزة القابلة للارتداء والتمدد. وبفضل هذه الموجة التكنولوجية، من المتوقع أن يستمر سوق النقاط الكمومية العالمي في التوسع بمعدل نمو سنوي مركب قدره 9.47٪.
مع ذلك، لا يزال تطبيق تقنية النقاط الكمومية على نطاق واسع يواجه ثلاثة تحديات رئيسية: أولًا، صعوبة الحصول على المواد الخام، وما قد يترتب على ذلك من مخاطر تتعلق بالسلامة. تعتمد النقاط الكمومية المتوفرة تجاريًا حاليًا في الغالب على مواد من المعادن الثقيلة، مثل معدن الإنديوم النادر، والمعادن السامة كالكادميوم والرصاص. في المقابل، تخلو النقاط الكمومية المصنوعة من السيليكون الغرواني وموادها النانوية بطبيعتها من المعادن الثقيلة والهالوجينات، مما يوفر بديلًا مثاليًا لشاشات الجيل القادم المستدامة، والإضاءة الحالة الصلبة، والتصوير الطبي الحيوي، وحتى المجالات الكمومية المتطورة. ثانيًا، ثمة حاجة ملحة للتغلب على مشكلة كفاءة النقاط الكمومية. فعلى الرغم من أن النقاط الكمومية القائمة على الكادميوم والبيروفسكايت قد حققت كفاءة كمومية تقارب 100%، إلا أن الأنظمة الخالية من المعادن الثقيلة ظلت متأخرة لفترة طويلة بسبب عيوب السطح وعدم اكتمال التخميل. ومن المشجع أن الأبحاث الحديثة قد رفعت الكفاءة الكمومية للنقاط الكمومية المصنوعة من السيليكون إلى أكثر من 70%. ثالثًا، تحتاج طرق التخليق الحالية إلى تبسيط عاجل. تتطلب طريقة الحقن الساخن، الشائعة الاستخدام، حقن المادة الأولية بسرعة في مذيب ذي درجة حرارة عالية لتحفيز التكوين النووي، مما يفرض متطلبات صارمة على التحكم في درجة الحرارة، والجو الخامل، والمعدات المتخصصة، ما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج على نطاق واسع. والأهم من ذلك، أنه لا توجد حاليًا مادة أولية أو مذيب مناسب لتخليق نقاط السيليكون الكمومية ذات التبلور العالي والخصائص البصرية الممتازة باستخدام طريقة الحقن الساخن.
على مدى العقدين الماضيين، حقق فريق البحث تقدماً منهجياً في العديد من الإنجازات في أبحاث النقاط الكمومية السيليكونية: تحقيق انبعاث ثلاثي الألوان وانبعاث ضوء أبيض مستمر؛ تطوير أول ثنائي ضوئي من النقاط الكمومية السيليكونية ينبعث منه ضوء أزرق سماوي؛ تطوير مسار تصنيع منخفض التكلفة يقلل تكاليف الإنتاج بمئات إلى آلاف المرات؛ تحضير ثنائيات ضوئية مستدامة من النقاط الكمومية السيليكونية باستخدام قشور الأرز؛ الحصول على نقاط كمومية سيليكونية ذات مردود كمي يبلغ حوالي 80% وبلورية محددة جيداً؛ تصنيع أغشية رقيقة متينة ثلاثية الألوان باللون الأحمر والأخضر والأزرق؛ تحقيق أجهزة ثنائية باعثة للضوء بكفاءة كمية خارجية تتجاوز 10%؛ وتحقيق أربعة أرقام قياسية في الأداء.
لخص كين-إيتشي سايتو وزملاؤه من جامعة هيروشيما باليابان، في تقرير خاص، طرق التخليق والخصائص البنيوية والخصائص الضوئية الفيزيائية لنقاط السيليكون الكمومية عالية التبلور، والتي تصل كفاءتها الكمومية إلى 80%. بعد استعراض مزايا نقاط السيليكون الكمومية، ينتقل التركيز إلى مسار تخليق نقاط السيليكون الكمومية الغروية، وتحديدًا طريقة بوليمر سيلسيسكويوكسان الهيدروجين. تُغني هذه الطريقة عن خطوة الحقن الساخن، ويمكن إجراؤها في ظروف معتدلة عند درجة حرارة الغرفة، متجاوزةً بذلك متطلبات الحقن السريع للمواد الأولية والإجراءات التشغيلية المعقدة. يُبسط هذا الأمر العملية التجريبية بشكل كبير، ويُسهل الإنتاج على نطاق واسع. كما تُظهر المواد المشتقة من سيلسيسكويوكسان الهيدروجين، والمُحضرة وفقًا لهذا المسار التخليقي، إنجازات قياسية في ثنائيات باعثة للضوء تعتمد على نقاط السيليكون الكمومية، وذلك عبر أربعة مؤشرات أداء رئيسية.
