مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام ٢٠٢٣ لاكتشاف وتطوير النقاط الكمومية. وذكرت لجنة نوبل: "تُحقق النقاط الكمومية فوائد عظيمة للبشرية، وقد بدأنا للتو في استكشاف إمكاناتها". لا تُمثل هذه الجائزة أعلى تقدير لأبحاث النقاط الكمومية فحسب، بل تُبرز أيضًا إمكاناتها الهائلة في مجالات مثل إضاءة العرض، وتحفيز الطاقة، والطب الحيوي، وتكنولوجيا الكم. يُركز هذا التقرير الخاص على النقاط الكمومية السيليكونية، وخاصةً الأنظمة المُشتتة بالمذيبات، مُقدمًا بشكل منهجي تقدمًا بحثيًا في طرق التركيب، والخصائص الهيكلية، والخصائص البصرية، بالإضافة إلى تطبيقاتها في الثنائيات الباعثة للضوء (قاد) المُعالجة بالمحلول.
النقاط الكمومية هي بلورات نانوية شبه موصلة بأبعاد بضعة نانومترات فقط. تتميز النقاط الكمومية الغروانية بمزايا فريدة عديدة: إمكانية تحقيق انبعاث كامل الألوان قابل للضبط الحجمي من خلال عمليات غير مفرغة؛ ويمكن أن يصل العائد الكمي للتألق الضوئي إلى 100%؛ وتتميز بعرض نطاق انبعاث ضيق يتراوح بين 20 و40 نانومترًا، مع نطاق لوني يتراوح بين ثلاثة وأربعة أضعاف نطاق الثنائيات الباعثة للضوء العضوية؛ ويمكن تحضيرها في درجة حرارة الغرفة باستخدام طرق المحاليل منخفضة الحرارة. بفضل هذه الخصائص، تم تصميم هياكل النواة والقشرة مع تحكم هندسي ضيق الفجوة، وتم تطوير منتجات تجارية مثل أجهزة تلفزيون النقاط الكمومية بنجاح. وبالنظر إلى المستقبل، من المتوقع أن تلعب النقاط الكمومية دورًا محوريًا في تطوير مصابيح قاد المصغرة، ومصابيح قاد الميكرونية، وتقنيات قاد ذات النقاط الكمومية، وأن تدفع عجلة تطوير تقنيات الجيل القادم للإلكترونيات البصرية التي تركز على الإنسان، مثل الأجهزة القابلة للارتداء القابلة للتمدد. وبفضل هذه الموجة التكنولوجية، من المتوقع أن يستمر سوق النقاط الكمومية العالمي في التوسع بمعدل نمو سنوي مركب نسبته 9.47%.
ومع ذلك، لا يزال التطبيق الواسع النطاق لتقنية النقاط الكمومية يواجه ثلاثة تحديات رئيسية: أولاً، يصعب توافر المواد الخام وقد يشكل مخاطر تتعلق بالسلامة. تعتمد النقاط الكمومية المتاحة تجاريًا حاليًا في الغالب على مواد معدنية ثقيلة، مثل معدن الإنديوم النادر والمعادن السامة الكادميوم والرصاص. في المقابل، فإن النقاط الكمومية السيليكونية الغروية وموادها النانوية خالية بطبيعتها من المعادن الثقيلة والهالوجينات، مما يوفر بديلاً مثاليًا لشاشات الجيل التالي المستدامة، والإضاءة ذات الحالة الصلبة، والتصوير الطبي الحيوي، وحتى المجالات الكمومية المتطورة. ثانيًا، هناك حاجة ماسة إلى التغلب على عنق الزجاجة في كفاءة النقاط الكمومية. على الرغم من أن النقاط الكمومية القائمة على الكادميوم والبيروفسكايت قد حققت عائدًا كميًا يقارب 100٪، إلا أن الأنظمة الخالية من المعادن الثقيلة تأخرت كثيرًا بسبب عيوب السطح والتخميل غير الكامل. ومن المشجع أن الأبحاث الحديثة قد زادت من العائد الكمومي للنقاط الكمومية السيليكونية إلى أكثر من 70٪. ثالثًا، تحتاج طرق التركيب الحالية إلى تبسيط عاجل. تتطلب طريقة الحقن الساخن الشائعة حقن المادة الأولية بسرعة في مذيب عالي الحرارة لتحفيز التنوي، مما يفرض متطلبات صارمة للتحكم في درجة الحرارة، وجوًا خاملًا، ومعدات متخصصة، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج على نطاق واسع. والأهم من ذلك، لا يوجد حاليًا أي مادة أولية أو مذيب مناسب لتركيب نقاط الكم السيليكونية ذات التبلور العالي والخصائص البصرية الممتازة باستخدام طريقة الحقن الساخن.
على مدى العقدين الماضيين، حقق فريق البحث بشكل منهجي العديد من المعالم البارزة في أبحاث النقاط الكمومية السيليكونية: تحقيق انبعاث ثلاثي الألوان وانبعاث مستمر للضوء الأبيض؛ تطوير أول ثنائي نقطة كمومية سيليكوني ينبعث منه ضوء أزرق سماوي؛ تطوير مسار تركيب منخفض التكلفة يقلل تكاليف الإنتاج بمئات إلى آلاف المرات؛ إعداد ثنائيات نقطة كمومية سيليكونية مستدامة باستخدام قشور الأرز؛ الحصول على نقاط كمومية سيليكونية بعائد كمي يبلغ حوالي 80٪ وبلورية محددة جيدًا؛ تصنيع أغشية رقيقة ثلاثية الألوان حمراء وخضراء وزرقاء متينة؛ تحقيق أجهزة ثنائي باعث للضوء بكفاءة كمية خارجية تتجاوز 10٪؛ وتحقيق أربعة أرقام قياسية للأداء.
لخص كين-إيتشي سايتو وآخرون من جامعة هيروشيما باليابان طرق التركيب والخصائص الهيكلية والخصائص الضوئية الفيزيائية لنقاط الكم السيليكونية عالية التبلور، ذات العائد الكمي الذي يصل إلى 80%، في تقرير خاص. بعد توضيح مزايا نقاط الكم السيليكونية، ينتقل التركيز إلى طريقة تركيب نقاط الكم السيليكونية الغروانية، وتحديدًا طريقة بوليمر الهيدروجين سيلسيسكيوكسان. تُغني هذه الطريقة عن خطوة الحقن الساخن، ويمكن إجراؤها في ظروف درجة حرارة الغرفة المعتدلة، متجنبةً بذلك متطلبات الحقن السريع للمواد الأولية وإجراءات التشغيل الصارمة. يُبسط هذا بشكل كبير العملية التجريبية ويُسهّل الإنتاج على نطاق واسع. تُبرز المواد المشتقة من الهيدروجين سيلسيسكيوكسان، المُحضرة بناءً على هذه الطريقة التركيبية، الإنجازات القياسية في الثنائيات الباعثة للضوء بنقاط الكم السيليكونية، وذلك وفقًا لأربعة مؤشرات أداء رئيسية.