لقد أحدثت النقاط الكمومية ضجة كبيرة في عالم أجهزة التلفاز والشاشات، ولكن ما هي بالضبط؟ هل هي مجرد إساءة أخرى لكلمة “كم” من قبل المسوقين، أم أن هذه النقاط مذهلة كما يصورها البعض؟
الذرة الاصطناعية
النقاط الكمومية هي جزيئات من مادة شبه موصلة لا يتجاوز قطرها بضعة نانومترات. وتُعرف هذه النقاط أيضًا باسم “الذرات الاصطناعية” (على الرغم من كونها أكبر كثيرًا من الذرة)، وهي تتصرف بطريقة مماثلة للذرات عندما يتعلق الأمر بعلاقتها بالإلكترونات. فهي صغيرة جدًا لدرجة أن إلكتروناتها “محاصرة” وتتصرف على نحو مماثل للذرات. عندما يصطدم ضوء الأشعة فوق البنفسجية بنقطة كمومية، ترتفع إلكتروناتها إلى حالة طاقة أعلى. وعندما تعود الإلكترونات إلى مستواها الأساسي، يتم إطلاق الفرق في الطاقة بين الحالتين على شكل ضوء.
يُشار إليها باسم النقاط الكمومية لسببين. أولاً، إنها تظهر خصائص كمية بفضل كيفية حصر الإلكترونات داخلها. التأثيرات الكمومية هي تلك القوانين الفيزيائية دون الذرية التي لا يزال العلماء يحاولون فهمها بالكامل، ولكن يمكننا بالفعل تطبيقها في أجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
يُشار إليها بالنقاط لأنها صغيرة جدًا، لدرجة أنها عديمة الأبعاد تقريبًا. بعبارة أخرى، إنها نقطة واحدة بلا عرض أو طول أو ارتفاع. حسنًا، يبلغ عرضها بضع عشرات من الذرات، لكنها قريبة جدًا من كونها نقاطًا عديمة الأبعاد لدرجة أن قوانين الفيزياء الغريبة لا يمكن أن تفسرها. ميكانيكا الكم تدخل حيز اللعب.
ما الذي يجعل النقاط الكمومية مفيدة جدًا؟
تتصرف النقاط الكمومية مثل الذرات التي تم إثارتها، ولكنها تختلف في طريقة أساسية واحدة. الضوء الذي تحصل عليه من ذرة أو نقطة كمومية يساوي مقدار الطاقة التي تم امتصاصها وإطلاقها، مما يحدد الطول الموجي وبالتالي لون الضوء. ومع ذلك، فإن نوعًا واحدًا من الذرات (مثل الحديد والصوديوم) سيصدر دائمًا نفس الطول الموجي للون.
من ناحية أخرى، يمكن تصنيع النقاط الكمومية من نفس المادة شبه الموصلة، ولكنها تنتج أطوال موجية مختلفة اعتمادًا على حجمها. فكلما كانت النقطة أكبر، كلما كان الطول الموجي أطول، والعكس صحيح. لذا فإن النقاط الأكبر تميل نحو الطرف الأحمر من الطيف، بينما تميل النقاط الأصغر نحو الطرف الأزرق.
تعني هذه الخاصية الخاصة بالنقاط الكمومية أنه يمكنك التحكم بدقة في انبعاث الضوء الملون مما ينتج ألوانًا زاهية ودقيقة.
كيفية صنع النقاط الكمومية
تتمتع النقاط الكمومية ببنية دقيقة لأنها عبارة عن بلورات. كما أن رقائق السيليكون التي تصنع منها الرقائق الدقيقة لدينا تنمو أيضًا على شكل بلورات، والتي تنظم نفسها في أنماط ذرية. ولهذا السبب يمكننا صنع نقاط كمومية ذات هياكل دقيقة على نطاق النانو. وإذا كان علينا أن نبنيها ذرة واحدة في كل مرة، فلن تكون عملية للغاية!
يمكن تصنيعها بإطلاق حزم من الذرات على ركيزة لبناء بلورات، ويمكنك إطلاق أيونات (إلكترونات حرة) على ركيزة أشباه الموصلات، أو باستخدام الأشعة السينية. يمكن أيضًا إنشاء النقاط الكمومية باستخدام العمليات الكيميائية، وحتى باستخدام العمليات البيولوجية. ومع ذلك، التصنيع البيولوجي لا يزال البحث في مراحله المبكرة للغاية.
أين يتم استخدام النقاط الكمومية؟
وبعيدًا عن شاشات QD-OLED وQLED التي يعرفها معظم الناس عن النقاط الكمومية، هناك العديد من التطبيقات لهذه البقع غير المرئية في العديد من التقنيات المختلفة.
إن الألواح الشمسية تشكل أحد التطبيقات المحتملة الرئيسية للنقاط الكمومية. إن الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون اليوم تتمتع بكفاءة عالية في جمع الطاقة من الضوء، ولكن لأن النقاط الكمومية يمكن “ضبطها” لامتصاص الضوء من أجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي، فإنها قد تؤدي إلى ألواح شمسية أكثر كفاءة. ولن تكون هذه الألواح أكثر كفاءة فحسب، بل ستكون أيضًا أرخص في الإنتاج نظرًا لأن عملية تصنيع النقاط الكمومية اللازمة بسيطة نسبيًا.
من الناحية النظرية، يمكنك صنع خلية شمسية بنقاط كمية نقية، ولكن يمكن أيضًا استخدامها في الخلايا الشمسية الهجينة. تعزيز كفاءة الخلايا الشمسية الأخرى تكنولوجيات الطاقة الشمسية.
يمكن استخدام النقاط الكمومية في أجهزة كشف الفوتونات، ولديها إمكانات مثيرة في مجال الطب الحيوي، ويمكن حتى أن تؤدي إلى إنتاج ثنائيات باعثة للضوء أرخص بكثير وأكثر كفاءة.
أحد التطبيقات المثيرة للنقاط الكمومية هو علاج السرطانحيث يتم تصميم النقاط لتتراكم في أعضاء مستهدفة بشكل خاص لإطلاق أدوية مضادة للسرطان بالإضافة إلى التصوير المتقدم. ويمكن أن تلعب أيضًا دورًا في التشخيص المبكر للأورام.
قد تكون النقاط الكمومية أيضًا هي المفتاح للحوسبة الفوتونية، حيث تصبح الدوائر الكهربائية صغيرة جدًا لدرجة أن التأثيرات الكمومية تجعل تدفق الإلكترونات من خلالها مستحيلًا. قد تكون الحوسبة باستخدام الفوتونات هي الخطوة التالية. قد تحل النقاط الكمومية العديد من القضايا التي لا تزال تواجه الحوسبة الفوتونية.
الكم يتحدى الخيال
غالبًا ما يُقتبس عن ريتشارد فاينمان، الفيزيائي الأمريكي الشهير، قوله: “إذا كنت تعتقد أنك تفهم ميكانيكا الكم، فأنت لا تفهم ميكانيكا الكم”. ومن المعروف أيضًا أن ألبرت أينشتاين يرسم خطًا فاصلًا في المجازفة بذلك، لذا نشعر براحة تامة في الاعتراف بأننا لا نفهم حقًا النقاط الكمومية.
ولكن ما نفهمه هو مدى تنوع هذه التكنولوجيا وما تتيحه من ابتكارات تكنولوجية مذهلة تتجاوز مجرد صنع شاشات كمبيوتر أفضل. لذا في المرة القادمة التي تتعجب فيها من حيوية تلفزيون QLED الخاص بك، خصص لحظة للتفكير في السحر دون الذري المذهل الذي يحدث حتى تتمكن من الحصول على صورة أفضل وكيف يمكن للنقاط الكمومية في يوم من الأيام أن تؤدي وظائف مهمة داخل جسمك وخارجه في العالم.