محققان چینی و آمریکایی به تازگی موفق به ساخت طیف‌سنجِ کوچک و ارزان قیمتی با استفاده از کوانتوم دات‌ها شدند. این طیف سنج کاربردهای بسیاری دارد.

اولین طیف‌سنج ساخته شده از کوانتوم دات‌ها توسط جی بائو از دانشگاه سینگوآ چین و مانجی باوندی از موسسه‌ی فناوری ماساچوست آمریکا، رونمایی شد. طبق گفته‌ی مخترعانِ این طیف‌سنج، از آنجائیکه این وسیله همانند یک دوربینِ تلفن همراه، کوچک، ارزان و ساده است، قابلیتِ تولید بصورت تجاری را دارد. چنین طیف‌سنج‌های کوچک و قابل حملی کاربرد‌های وسیعی دارند. از جمع‌آوریِ داده‌های علمی در ماموریت‌های فضایی تا حسگر‌هایی که در مصارف خانگی کاربرد دارند.

در طیف‌سنجی، شدتِ نور بعنوان تابعی از طول موج اندازه‌گیری می‌شود. کاربرد طیف‌سنجی در مطالعه‌ی ویژگی‌هایِ مختلفِ موادِ ناشرِ نور و جاذبِ نور است. این باعث می‌شود تا آن را را بعنوان روشِ تحلیلی ارزشمندی که در طیف گسترده ای از رشته‌های علمی و فن‌آوری‌های مورد استفاده می‌گیرد قلمداد کنند. بیشترِ روش‌های طیف‌سنجی شاملِ پراکندگی نور بر حسب طول موج آن می‌شوند. برای مثال، یک منشور می‌تواند با شکست نور، آن را به اجزای تشکیل دهنده‌اش تجزیه کند. در این حالت با استفاده از آشکارساز حساس به مکانِ نور، یک طیف حاصل می‌گردد. بائو و باوندی رویکرد متفاوتی را در پیش گرفتند. آن‌ها با استفاده از کوانتوم دات‌ها آرایه‌ای از فیلتر‌های میان‌گذر ایجاد کردند تا نور قبل از رسیدن به آشکارساز از آن‌ها عبور کند.

اتم‌هایِ مصنوعیِ قابل تنظیم

کوانتوم دات‌ها تکه‌های کوچک نیمه‌رسانایی که اندازه‌ی آن‌ها از مرتبه‌ی چند نانومتر است. آن‌ها را گاهی اتم‌های مصنوعی می‌نامند. زیرا مانند اتم‌ها می‌توانند نور را در طول موج‌های مشخصی جذب کرده یا نشر دهند. اما برخلاف اتم‌ها، می‌توان طول موج‌ها را به سادگی و با تغییر اندازه‌ی کوانتوم دات تنظیم کرد.

بائو هنگامی به ایده‌ی استفاده از کوانتوم دات‌ در طیف‌سنج‌ها برخورد کرد که بر روی استفاده‌ی آن‌ها در سلول‌های خورشیدی و آشکارسازهای نوری مطالعه می‌کرد. او با ارجاع به روش ساده‌ی تنظیم کوانتوم دات برای پاسخ دادن به نور می‌گوید : "من متوجه شدم که این مواد خصوصیت‌های بی همتایی دارند که هیچ ماده‌ی دیگری آن‌ها را ندارد." با در نظر داشتن این موضوع، بائو به مطالعه و تحقیق در مورد استفاده از تعداد زیادی کوانتوم دات در یک نوع جدید طیف‌سنج پرداخت. با نمایش نوری که کوانتوم دات جذب می‌کند توسط صفحه نمایش تصویر، می‌توان شدت‌های نسبی در طول موج‌های مختلف طیفِ پرتوی فرودی را تعیین کرد.

دستگاهِ بائو و باوندی آرایه‌ای از 195 نوع کوانتوم دات مختلف با ویژگی‌های طیفیِ جذب است که محدوده‌ی طول موج 300 نانومتر را پوشش می‌دهد. کوانتوم دات‌ها در محلولی مانند کلوئید‌ها پراکنده می‌شوند. چنین ترکیبی در فرآیندِ روکش کردنِ تک پیکسل‌های حساس به نورِ دوربین دیجیتال استفاده می‌شود. بائو معتقد است از آنجائیکه این روند با تکنولوژیِ موجودِ دوربین‌ها سازگار است، تولید انبوهِ این طیف‌سنج با قیمت مناسب ممکن به نظر می‌رسد.

تسهیم سازیِ طول موج

طیف‌سنجِ جدید قابلیت "تسهیم سازی" طول موج را دارد. این تکنیک برای اولین بار توسط صنعت مخابرات و برای انتقال چندین سیگنالِ مختلف از یک فیبر نوری استفاده شد. در حالِ حاضر از تسهیم در طیف‌سنجی استفاده می‌شود، اما بائو معتقد است که طرح‌های پیشین برای تولید دستگاه‌های کوچک، کم هزینه و با کارایی بالا مناسب نیستند. او می‌گوید : "چنین کاری با استفاده از مواد کوانتوم دات کلوئیدی ممکن است."

او می‌افزاید : "این اولین باری است که از کوانتوم دات‌ها در طیف‌سنجی استفاده می‌شود. در واقع این اولین باری است که بیشتر از تعداد انگشت شماری کوانتوم داتِ مختلف در یک وسیله استفاده شده است."

فراتر از داگرئوتایپ

بائو معتقد است که این وسیله می‌تواند آغاز تحولی در کاربردِ عملیِ طیف‌سنجی باشد. او این موضوع را به کاربرد‌های بسیارِ عکاسی تشبیه می‌کند. او معتقد است که این کاربرد‌های گسترده، حاصلِ رشدِ تکنولوژی از فرآیندِ طاقت فرسا و پرزحمتِ داگرئوتایپ (با دوربین‌های سنگین و زمان‌های نورگیری طولانی) تا دوربین‌های دیجیتال کوچک امروزی است.

او می‌گوید : "اگر نگاهی به دوربین‌های قدیمی بیندازیم، متوجه می‌شویم که کاربردشان بسیار محدود بوده است. اما کاربرد دوربین‌های امروزی فقط به گوشی‌های تلفن همراه محدود نمی‌شود. بلکه در آندوسکوپی‌ها و یا حتی در قرص‌ها برای تصویربرداری از فرآیند هضم از آن‌ها استفاده می‌گردد. هنگامی که فرآیندِ تصویربرداری پیچیده بود، تصّور چنین کاربرد‌هایی نیز غیرممکن بنظر می‌رسید."

اکنون محققان در حالِ بررسی چگونگیِ استفاده‌ی طیف‌سنجِ کوانتوم دات در حسگر‌ها و همچنین به دنبال راه‌هایی برای بهینه‌سازی معماری این وسیله هستند.

در این تصویر پنج نوع مختلف از کوانتوم دات‌های کلوئیدی را می‌بینیم که در داخل آرایه‌های آشکارسازِ دوربین دیجیتال قرار داده می‌شوند.

منبع :

http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/jul/02/spectrometer-made-from-quantum-dots-is-compact-and-low-cost