Quantum dot: Технология квантовых точек (quantum dot)

Содержание

Samsung представляет революционную технологию Quantum Dot Display

Результатом 10-летних научно-исследовательских работ в области отображения информации дали свои плоды. С помощью эксклюзивной технологии квантовых точек, в Samsung смогли решить сразу несколько глобальных проблем современных дисплеев – выгорание пикселей, невысокий уровень яркости, точность цветопередачи и экологичность. Телевизоры Samsung SUHD TV на квантовых точках не только обеспечивают невероятно качественное изображение, но и начинают новейший этап в развитии потребления видеоконтента.

Обычные телевизоры

Секрет качественного изображения кроется в нескольких вещах – точных светофильтрах и чистом свете подсветки. Как известно, в телевизорах используется модель RGB – красный, зеленый и синий цвет. Для получения естественных цветов необходим источник чистого белого света. Для этого подходят синие светодиоды, с желтым фосфорным покрытием, характеристики которого со временем могут ухудшиться. С годами, такие дисплеи теряют насыщенность и точность цветопередачи.

Для анимации нажмите на изображение

Если же рассматривать другие современные разработки, то их основная проблема – невысокий уровень яркости и тусклая картинка. Из-за их схожести с уже устаревшей плазменной технологией, для минимизации риска выгорания пикселей, производители вынуждены искать баланс между яркостью изображения и сроком службы панели - телевизоры, как правило, покупают на достаточно длительное время.

Для анимации нажмите на изображение

Quantum Dot Display

Квантовые точки, технология, на которую Samsung по праву делает ставку в дальнейшем развитии телевизоров, обладают рядом преимуществ по сравнению с другими решениями. Новые дисплеи предлагают яркую и реалистичную картинку с точной цветопередачей, высоким уровнем контрастности и длительным сроком службы без выгораний, послесвечения и каких-либо ухудшений при длительном времени использования.

Давайте разберемся, как это работает.

Квантовые точки – это полупроводники, из неорганического, стойкого к окислению материала. Их размер варьируется от 3 до 7 нанометров. Здесь сразу же стоит отметить неоспоримое преимущество – экологичность. При производстве панелей Quantum Dot Display не используется токсичный материал – кадмий, а телевизоры SUHD TV, использующие эту технологию соответствуют строгим требованиям экологических норм.

Квантовые точки испускают собственный свет под воздействием подсветки из синих диодов. Необходимый цвет определяется их размерами. Они и являются источником максимально чистого и яркого света, который обеспечивает идеальное качество изображения на экране и живую и точную цветопередачу.

Для анимации нажмите на изображение

Quantum Dot Color и HDR 1000

Кроме этого в телевизорах Samsung SUHD TV  используется технология Quantum Dot Color. 10-битные матрицы, которые позволяют воспроизводить реалистичное изображение с более чем 1 миллиардом цветовых оттенков. Это в 64 раза больше чем могут отображать телевизоры с 8-битными панелями.

Внимания заслуживает и технология HDR 1000. Пиковое значение яркости панелей на квантовых точках достигает 1000 нит, что на 75 процентов больше максимальной яркости OLED-панелей. Это позволяет расширить диапазон уровней освещенности и вместе с технологией экрана Ultra Black, поглощающей свет, обеспечить яркий белый и насыщенный черный цвета. Телевизоры Samsung SUHD идеально показывают, как в темной спальне, так и в яркой гостиной сбалансированное по цвету изображение.

С технологией квантовых точек, качество изображения выходит на новый уровень. Это очень важный шаг в развитии современных телевизоров. Samsung SUHD TV вместе с Quantum Dot Display открывает мир фантастически реалистичных и естественных цветов.

Для анимации нажмите на изображение

Более подробную информацию о технологии Quantum Dot Display можно узнать по ссылке.

Samsung Display смещает фокус на Quantum Dot панели и инвестирует в технологию $11 млрд

Компания Samsung Display дала понять, что к 2025 году инвестирует 13,1 трлн вон (около $11 млрд) в производство и дальнейшее развитие панелей на базе технологи квантовых точек. Это делается для того, чтобы опередить китайских конкурентов, которые уже догнали более ранние технологии отображения графической информации.

Панели QLED или Quantum Dot OLED – это последняя разработка Samsung, которая используется в новейших 8K-телевизорах компании. Помимо Samsung, TCL также использует технологию QLED в своём последнем 8K-телевизоре, и вряд ли она была предоставлена ​​компанией Samsung.

Samsung объявила, что будет использовать инвестиции, чтобы трансформировать производство широкоформатных панелей с более дешевых жидкокристаллических дисплеев на более продвинутую технологию Quantum Dot, основанную на технологии органических светодиодов или OLED. Компания также сообщила, что с 2021 года новые линии Quantum Dot поколения 8,5 будут выпускать 30 тыс. панелей в месяц. Они будут использоваться для изготовления сверхбольших Quantum Dot дисплеев размером 65 дюймов и более. Чтобы ускорить этот проект, компания будет постепенно преобразовывать свои жидкокристаллические линии 8-го поколения в линии Quantum Dot.

Такое решение Samsung вызвано тем, что в последние годы цены на ЖК-дисплеи упали благодаря китайским производителям, поддерживаемым щедрыми государственными субсидиями и агрессивно расширяющими производственные мощности. На цены также повлиял слабый спрос на крупные телевизоры на фоне глобального экономического спада в сочетании с торговой войной между США и Китаем.

Министерство торговли, промышленности и энергетики Южной Кореи заявило, что Samsung инвестирует 10 трлн вон в производственные объекты для выпуска панелей на базе технологии квантовых точек, а оставшиеся 3,1 трлн вон будут направлены на разработку этой технологии.

Источник: gizmochina

Quantum Dot - эволюция телевизионных экранов

Кроме того, экраны таких телевизоров надёжны и не подвержены выгоранию на протяжении долгого времени.

Революция от Samsung. Как телевизоры с технологией экрана Quantum Dot изменят жизнь?

Суть новой разработки состоит в использовании при производстве панелей квантовых точек – крошечных частиц способных ярко светиться. Благодаряих свойствамконечное изображение получается одновременно и ярким, и очень насыщенным, при этом нет необходимости жертвовать ни одним из этих параметров.

В чем же состоит прорыв технологии Quantum Dot Display?

ЖК-телевизоры последних поколений сделали существенный шаг вперед в плане увеличения яркости, но не обеспечивали идеальную цветопередачу.Белый свет, создаваемый подсветкой обычного телевизора, оказывался не таким уж и белым, впоследствии чего конечная картинка получала совсем другие краски.

Дело в том, что на текущий момент большинство ЖК-телевизоров представленныхна рынке используют синее диодное свечение с дополнительным покрытием желтого фосфора для создания белой подсветки.Такое решение позволяет получить широкий спектр белого, но имеет ограничения для полноценного воспроизведения красных или зеленых оттенков на экране. Кроме того, характеристики фосфорного покрытия со временем могут меняться, а значит икачество конечной картинки.

В телевизорах Samsung SUHD источником белого света являются квантовые точки. Они излучают идеально чистый свет, который передает естественные цвета и создает реалистичное изображение. Использование технологииQuantum Dot Display позволяет достичь эффективного и бескомпромиссного результата как в отношении яркости, так и в отношении цветопередачи.

Кроме того, квантовые точки сделаны из неорганических материалов, что обеспечивает дисплею вашего телевизора неизменную стойкость к выгоранию на протяжении долгих лет.

Как это работает?

Квантовые точки – полупроводниковые нано кристаллы способные излучать свет cопределенной длиной волны. Конкретный цветвоспроизводимый одной квантовой точкой определяется ее размером. Чем больше ее размер, тем более насыщенный красный виден, и чем меньше размер – тем более пурпурным.Технология QuantumDot позволяет Samsung регулировать размеры квантовых точек вплоть до мельчайших частиц, а значит создавать точный цвет.

РешениеQuantumDotDisplayпредставляет дополнительный ультратонкий слой между светодиодной подсветкой и матрицей телевизора, и включает триллионы ярко светящихся красных и зеленых квантовых точек на тонкой пленке. Получаемая ими энергия в виде синего диодного света проходит через слой крошечныхкристаллов, позволяя создавать правильный белый свет для матрицы дисплея. Стабилизация света квантовыми точками выводит качество изображения на новый уровень, обеспечивая цвета максимально приближенными к реальной жизни.

Лучше качество изображения с фирменными технологиями

Телевизоры SUHD TVоснащены 10-битной панелью, которая способна воспроизводить более 1 миллиарда цветовых оттенков, что в 64 раза больше, чем способны отобразить устройства с 8-битной панелью.

Кроме того, технология HDR 1000 награждает зрителя замечательной яркостью. Ее численное выражение может достигать 1000 нит. Результат – правильная контрастность в любых сценах и огромное разнообразие отображаемых оттенков.

Для максимально реалистичной и точной передачи изображения предусмотрена технология UltraBlack (Ультра черный), нацелена на уменьшение бликов телевизионной панели от внешних источников света. В свою очередь, это означает больше комфорта для зрителей.

Также стоит отметить, что в процессе производства экранов на базе технологии Quantum Dotне используется кадмий. Последний представляет из себя токсичный материал, негативно влияющий на внешнюю среду.

На данный момент технология Quantum Dot Display уже представлена в моделях телевизоров KS9800, KS9000, KS8000, KS7500 и KS7000. Они заряжают зрителя удовольствием от просмотра любимых киношедевров.

Больше информации - по ссылке.

Хотите первыми получать важную и полезную информацию о ДЕНЬГАХ и БИЗНЕСЕ? Подписывайтесь на наши аккаунты в мессенджерах и соцсетях: Telegram, Twitter, YouTube, Facebook, Instagram.

Технология квантовых точек в телевизорах

Обычный ЖК-телевизор охватывает не больше 30% цветового диапазона. Человеческий глаз способен воспринимать гораздо больше оттенков. Именно поэтому изображение на старых ТВ кажется таким блёклым и тусклым. Производители это прекрасно понимают, поэтому активно разрабатывают новые технологии, которые смогли бы решить эту проблему.

Сегодня всемирно известные бренды создают экраны по технологии использования крошечных кристаллов, которые также называются квантовыми точками. Эти элементы излучают свет. Особенность заключается в том, что цветовые значения поддаются максимальному регулированию. Эта технология получила название Quantum Dot LED, но зачастую обозначается аббревиатурой QLED.

Экран с технологией квантовых точек

Если не углубляться, то структура дисплея, созданного по технологии квантовых точек, практически ничем не отличается от обычного LED экрана. Используется подложка, подсветка, а также матрица. Разница проявляется лишь в наличии одного дополнительного фильтра, которым, собственно, и являются квантовые точки.

Телевизоры QLED имеют несколько принципиально важных преимуществ – богатый цветовой диапазон, максимальная яркость. Обеспечивается показ естественного и насыщенного изображения. Дополнительный слой из миниатюрных кристаллов между подсветкой и матрицей представлен в виде тонкой плёнки с металлической жидкостью. Внутри этой субстанции находятся кристаллы.

Размер квантовых точек варьируется в диапазоне 3-7 нанометров. Это принципиально важный момент, который отличает данные полупроводники от альтернативных источников света. Технология квантовых точек в телевизорах предполагает также поглощение световых волн одинаковой длины. С целью реализации этой задачи используются диоды подсветки синего цвета. Обеспечивается также излучение света другой длины.

Квантовые точки имеют разный размер, поскольку габариты изменяются в зависимости от цвета кристалла. Например, относительно большие точки обеспечивают формирование красного цвета, а маленькие кристаллы нужны для излучения зелёного оттенка. Дополнительный фильтр состоит из триллионов квантовых кристаллов. Инновационная технология обеспечивает отображение разных оттенков без потери чёткости.

Подытожим, QLED телевизоры отличаются от аналогов максимальной яркостью и цветностью. Чёрные оттенки более насыщены. Все эти свойства позволяют транслировать естественное и насыщенное изображение.

Телевизоры LCD и LED

Экраны плазменных телевизоров излучают свет самостоятельно, а для корректной работы жидкокристаллического дисплея нужна подсветка. Источник света всегда находится на заднем плане. Спереди расположена матрица. Что такое матрица телевизора? Это специальная комплектующая, через которую проходит свет, с жидкими кристаллами, потом он проникает на тонкую завесу светофильтров, состоящую из различных оттенков.

Перечисленные аппаратные комплектующие – миниатюрные модули. Чтобы лучше вникнуть в структуру ЖК-экрана, нужно вооружиться увеличительным стеклом. Посмотрите через него на экран ТВ, вы увидите гармонично выстроенные цвета: красный, синий, зелёный. Если пиксель перестаёт светиться, то на экране появляются чёрные или серые точки. Пиксель LCD и LED дисплеев образуется из трёх сегментов.

Принцип работы ЖК-матрицы чем-то напоминает жалюзи. Жидкие кристаллы обеспечивают пропуск или перекрытие света в зависимости от сцены. Одни участки экрана загораются, а другие, наоборот, гаснут. Так и создаётся изображение.

LCD и LED телевизоры – это устройства с жидкокристаллическими экранами. Эти аббревиатуры свидетельствуют о разных типах подсветки. В первом случае экран подсвечивается с помощью флуоресцентных или люминесцентных ламп. Что касается LED ТВ, то здесь функции подсветки выполняют светодиоды.

Дисплеи из квантовых точек отличаются от ЖК-экранов в первую очередь принципом работы, а не структурой. Это более совершенная технология, способная обеспечить трансляцию изображения высшего качества.

Плазменный телевизор PDP

Наверняка каждый из нас знает, как работают люминесцентные лампы. Они наполнены инертным газом под воздействием высокого напряжение он трансформируется в плазму. Лампа начинает светиться. Колба покрывается люминофором для того, чтобы придать свету спектр, который будет приемлем для человеческого глаза.

Это лирическое отступление наглядно иллюстрирует, как работают плазменные телевизоры PDP. Внутри панели расположено миллион люминесцентных ламп, находящихся в миниатюрных колбах, они располагаются между двумя стёклами. Во время включения ТВ увеличивается уровень напряжения, что способствует воздействию на инертный газ. Впрочем, далеко не все колбы светятся. Поскольку тогда бы телевизор превратился в самую обыкновенную настольную лампу. Лампочки загораются в определённой последовательности, они подсвечивают конкретные сегменты, из которых формируется картинка.

Управление этим процессором осуществляется специальным электронным модулем. Вкратце перечислим основные преимущества PDP:

  • разработчики получили возможность создавать большие экраны;
  • заметно снижена толщина дисплея;
  • относительно небольшая стоимость телевизоров по сравнению с аналогами.

Определённые недостатки тоже есть. Во-первых, для корректной работы ламп требуется высокое напряжение, что значительно увеличивает объём электропотребления. Телевизоры PDP нельзя назвать энергоэффективными устройствами. Во-вторых, техника оснащена высоковольтным аппаратным модулем, который всегда оказывается слабым звеном. После непродолжительной эксплуатации эта комплектующая выходит из строя.

Плазменные ТВ практически не продаются сегодня, поскольку они проиграли конкуренцию ЖК-аналогам. Со временем пиксели выгорают, поэтому продолжительность эксплуатационного срока PDP телевизора крайне незначительна. Они также заметно уступают QLED телевизорам Samsung по яркости, насыщенности изображения.

Технология OLED (органические светодиоды)

На определённом этапе появление технологии OLED стало настоящим прорывом. Экраны этого типа состоят из большого количества миниатюрных органических светодиодов. Особенность данной технологии заключается в том, что дисплей не нуждается в дополнительной подсветке. Диоды самостоятельно излучают свет. Необходимость в использовании светофильтра также отпала.

Независимое управление каждым пикселем – ещё одно значимое преимущество технологии. В любой момент диод можно отключить, что позволяет добиться естественного чёрного цвета. Пиксели способны отображать миллиарды различных оттенков.

Отказ от многослойной структуры позволил добиться минимальной толщины экрана. Поэтому OLED телевизоры – чрезвычайно тонкие устройства, которые смотрятся крайне эффектно.

Богатый цветовой диапазон, тонкость – далеко не единственные преимущества технологии OLED. Скорость действия светодиодов настолько высока, что размытие динамичных сцен исключено. Расширенный диапазон яркости предоставляет возможность демонстрировать максимально яркие и тёмные объекты в рамках одной сцены. Чёткость деталей также максимально сохранена.

Инновационная технология OLED позволяет создавать не просто тонкие телевизоры, а даже согнутые экраны. Вполне вероятно, что со временем на рынке появятся модели с прозрачными дисплеями. К сожалению, RGB-светодиоды имеют один очень существенный недостаток – ограниченный срок эксплуатации. Органические светодиоды со временем выгорают.

Чем отличаются панели LCD и LED

LCD и LED – это жидкокристаллические ТВ, разница между которыми проявляется исключительно в источнике света. Частично об этом уже шла речь ранее. Экраны LCD оснащены максимально тонким модулем подсветки в виде люминесцентных ламп. Как и в случае с плазмой, люминесцентная подсветка требует использования высоковольтного блока управления, который обладает ограниченным эксплуатационным сроком.

LED телевизоры оборудованы светодиодной подсветкой. Эта технология считается более экономичной и надёжной. ТВ этого типа намного тоньше, чем LCD. Модуль подсветки занимает меньше места. Речь идёт о разнице толщины в 4 раза.

Преимущества нанокристаллов перед LED

Вкратце перечислим основные преимущества телевизоров с экраном из квантовых точек над жидкокристаллическими моделями со светодиодной подсветкой:

  • максимальная чёткость благодаря мгновенному отклику;
  • широкий угол обзора;
  • цветовой диапазон;
  • яркость.

По всем техническим характеристикам QLED превосходят LED модели, за исключением стоимости. Жидкокристаллические устройства со светодиодной подсветкой стоят намного дешевле. Впрочем, это объясняется инновационностью технологии квантовых точек.

Преимущества нанокристаллов перед OLED

Здесь всё не так очевидно. QLED-дисплеи имеют два очевидных преимущества – продолжительный эксплуатационный срок, богатый цветовой диапазон. Органические светодиоды со временем выгорают, поэтому в долговечности они уступают кристаллам. Что касается яркости, то тут QLED – неоспоримый лидер вне зависимости от того, с какой технологией проводится сравнение.

Что касается других важных технических характеристик: угол обзора, время отклика, уровень чёрного, контрастность, то многое будет зависеть от того, о какой именно модели идёт речь. Многие OLED ТВ абсолютно не уступают более дорогостоящим аналогам по данным критериям. Некоторые критики и вовсе считают, что использование квантовых точек – попытка реинкарнировать старые идеи. Поэтому относятся к ней, как к рекламному трюку.

Технология Ultra Black

Это разработка южнокорейского бренда Samsung. Технология обеспечивает поглощение световых бликов. В результате можно наслаждаться просмотром телевизора даже при попадании солнечных лучей на экран ТВ. Опять-таки, многие специалисты скептически отнеслись к этой инновации. Суть технологии сводится к использованию матовых экранов, но это решение использовалось и раннее для борьбы с бликами.

Неоднородная структура матового дисплея действительно позволяет поглощать блики. Глянцевые дисплеи отражают свет, что мешает комфортному просмотру. Неровная матовая структура преломляет световой поток, предотвращая отражение.

Что такое Quantum Dot?

Полное название технологии Quantum Dot Enhancement Film – именно так обозначается использование квантовых точек в телевизорах. В рамках этой технологии используется светодиод синего цвета, а квантовые точки выполняют функции светофильтра, обеспечивая трансляцию зелёного, красного цвета.

Квантовая точка является полупроводником. Это микроскопический кристалл, который питается от синего светодиода. Телевизоры, созданные по данной технологии, маркируются QLED. Размеры квантовой точки напрямую зависят от того, какой цвет будет транслироваться.

Технология Precision Black

Телевизоры Samsung Super Ultra HD отличаются расширенным динамическим диапазоном яркости. Это стало возможным благодаря реализации двух технологий – Peak Illuminator и Precision Black. Первая обеспечивает увеличение яркости светодиодной подсветки в определённых зонах. Precision Black – технология локального затемнения. Она позволяет добиться трансляции насыщенного чёрного цвета.

Какую технологию выбрать – LED, OLED или на квантовых точках

QLED телевизоры Samsung нельзя назвать пионерами в области использования нанокристаллов. ТВ на квантовых точках выпускала также компания LG, но с маркировкой Nano Cell. LCD и LED панели заметно проигрывают новым моделям по техническим характеристикам. Поэтому, если позволяет бюджет, купите OLED или QLED телевизор. В ситуациях, когда бюджет ограничен, покупайте LED телевизор.

Что такое квантовые точки?

Квантовые точки (КТ) - это искусственные наноразмерные кристаллы, которые могут переносить электроны. Когда ультрафиолетовый свет попадает на эти полупроводниковые наночастицы, они могут излучать свет различных цветов. Эти искусственные полупроводниковые наночастицы, которые нашли применение в композитах, солнечных элементах и ​​флуоресцентных биологических этикетках.

Наночастицы полупроводников - квантовые точки - были теоретизированы в 1970-х годах и первоначально созданы в начале 1980-х годов. Если полупроводниковые частицы сделать достаточно маленькими, в игру вступят квантовые эффекты, которые ограничивают энергии, при которых электроны и дырки (отсутствие электрона) могут существовать в частицах.Поскольку энергия связана с длиной волны (или цветом), это означает, что оптические свойства частицы можно точно настроить в зависимости от ее размера. Таким образом, частицы можно заставить излучать или поглощать свет определенных длин волн (цветов), просто контролируя их размер.

Квантовые точки - это искусственные кристаллы нанометрового размера, которые способны преобразовывать спектр света в разные цвета. Каждая точка излучает разный цвет в зависимости от своего размера. (Изображение: RNGS Reuters / Nanosys)

Квантовые точки - это искусственные наноструктуры, которые могут обладать множеством различных свойств в зависимости от их материала и формы.Например, благодаря своим особым электронным свойствам они могут использоваться в качестве активных материалов в одноэлектронных транзисторах.

Свойства квантовой точки определяются не только ее размером, но также ее формой, составом и структурой, например, твердой она или полой. Надежная производственная технология, которая использует свойства квантовых точек для широкого круга приложений в таких областях, как катализ, электроника, фотоника, хранение информации, визуализация, медицина или зондирование, должна быть способна производить большие количества нанокристаллов, где каждая партия производится с точно такими же параметрами.

Поскольку определенные биологические молекулы способны к молекулярному распознаванию и самосборке, нанокристаллы также могут стать важным строительным блоком для самособирающихся функциональных наноустройств.

Атомоподобные энергетические состояния КТ, кроме того, вносят вклад в особые оптические свойства, такие как длина волны флуоресценции, зависящая от размера частиц; эффект, который используется при изготовлении оптических датчиков для получения биологических и медицинских изображений.

На сегодняшний день коллоидные КТ используются в биоаналитике и биомаркировании.Хотя первое поколение квантовых точек уже указывало на их потенциал, потребовалось много усилий, чтобы улучшить основные свойства, в частности коллоидную стабильность в солесодержащем растворе. Первоначально квантовые точки использовались в очень искусственных средах, и эти частицы просто осаждались в «реальных» образцах, таких как кровь. Эти проблемы были решены, и квантовые точки нашли широкое применение в реальных приложениях.

Флаконы с квантовыми точками, создающими яркие цвета.Например, квантовая точка на основе кадмия, демонстрирующая чистый, высокоспецифичный зеленый цветовой отклик. (Изображение: НАСА)

Квантовые точки нашли применение в композитах, солнечных элементах (ячейках Гретцеля) и флуоресцентных биологических метках (например, для отслеживания биологической молекулы), которые используют как малый размер частиц, так и настраиваемые уровни энергии.

Достижения в области химии привели к получению защищенных монослоем высококачественных монодисперсных кристаллических квантовых точек диаметром до 2 нм, которые можно удобно обрабатывать и обрабатывать как типичный химический реагент.

Квантовые точки в медицине

Квантовые точки позволяют исследователям изучать клеточные процессы на уровне отдельной молекулы и могут значительно улучшить диагностику и лечение таких заболеваний, как рак. КТ используются либо в качестве активных сенсорных элементов при визуализации клеток с высоким разрешением, где флуоресцентные свойства квантовых точек меняются в результате реакции с аналитом, либо в зондах с пассивной меткой, где молекулы селективных рецепторов, такие как антитела, были конъюгированы с поверхностью точки.

Квантовые точки могут произвести революцию в медицине. К сожалению, большинство из них токсичны. По иронии судьбы наличие тяжелых металлов в КТ, таких как кадмий, известный токсикант для человека и канцероген, представляет потенциальную опасность, особенно для будущего медицинского применения, когда квантовые точки намеренно вводятся в организм.

Поскольку использование наноматериалов для биомедицинских применений увеличивается, необходимо решить проблему загрязнения окружающей среды и токсичности, а разработка нетоксичных и биосовместимых наноматериалов становится важной проблемой.

Квантовые точки в фотовольтаике

Привлекательность использования квантовых точек для изготовления солнечных элементов заключается в нескольких преимуществах по сравнению с другими подходами: их можно производить с помощью энергосберегающего процесса при комнатной температуре; они могут быть изготовлены из обильных недорогих материалов, не требующих тщательной очистки, как это делает кремний; и их можно наносить на множество недорогих и даже гибких материалов подложек, таких как легкие пластмассы.

Хотя использование квантовых точек в качестве основы для солнечных элементов не является новой идеей, попытки создать фотоэлектрические устройства пока не достигли достаточно высокой эффективности в преобразовании солнечного света в энергию.

Перспективным способом создания солнечных элементов с квантовыми точками являются полупроводниковые чернила, цель которых - обеспечить покрытие больших площадей подложек солнечных элементов за один этап осаждения и тем самым устранить десятки этапов осаждения, необходимых для предыдущего метода послойного нанесения.

Графеновые квантовые точки

Поэтому графен, который в основном представляет собой развернутую плоскую форму углеродной нанотрубки, стал чрезвычайно интересным материалом-кандидатом для наноразмерной электроники. Исследователи показали, что можно вырезать наноразмерные транзисторы из одного кристалла графена (т.е. графеновые квантовые точки). В отличие от всех других известных материалов, графен остается очень стабильным и проводящим, даже когда его разрезают на устройства шириной в один нанометр.

Квантовая точка, вырезанная из листа графена. (Изображение: Группа мезоскопической физики, Манчестерский университет)

Графеновые квантовые точки (GQD) также демонстрируют большой потенциал в областях фотоэлектроники, фотовольтаики, биочувствительности и биовизуализации благодаря своим уникальным свойствам фотолюминесценции (PL), включая превосходную биосовместимость, низкую токсичность и высокую устойчивость к фотообесцвечиванию и фотомиганию.

Ученые все еще работают над поиском эффективных и универсальных методов синтеза ГКТ с высокой стабильностью, контролируемыми свойствами поверхности и настраиваемой длиной волны излучения ФЛ.

Перовскитные квантовые точки

Люминесцентные квантовые точки (LQD), которые обладают высокими квантовыми выходами фотолюминесценции, гибким управлением цветом излучения и технологичностью решения, перспективны для применения в системах освещения (теплый белый свет без УФ и инфракрасного излучения) и высококачественных дисплеях.

Однако коммерциализация LQD сдерживается чрезмерно высокой стоимостью их производства. В настоящее время LQD получают методом HI, требующим при высокой температуре и утомительной обработки поверхности для улучшения как оптических свойств, так и стабильности.

Системы квантовых точек на неорганических галогенидах перовскита, разработанные совсем недавно, показали сопоставимые и даже лучшие характеристики, чем традиционные КТ во многих областях. Благодаря получению высокоэмиссионных неорганических перовскитных квантовых точек (IPQD) при комнатной температуре, превосходные оптические качества IPQD могут привести к многообещающим приложениям в освещении и дисплеях.

Телевизоры и дисплеи на квантовых точках

В настоящее время квантовые точки наиболее широко используются в экранах телевизоров. Samsung и LG выпустили свои QLED-телевизоры в 2015 году, и вскоре за ними последовали еще несколько компаний.

Квантовые точки, поскольку они одновременно фотоактивные (фотолюминесцентные) и электроактивные (электролюминесцентные) и обладают уникальными физическими свойствами, будут лежать в основе дисплеев следующего поколения. По сравнению с органическими люминесцентными материалами, используемыми в органических светодиодах (OLED), материалы на основе квантовых точек имеют более чистые цвета, более длительный срок службы, более низкие производственные затраты и более низкое энергопотребление.Еще одно ключевое преимущество заключается в том, что, поскольку квантовые точки можно наносить практически на любую подложку, вы можете рассчитывать на пригодные для печати и гибкие - даже свертываемые - дисплеи с квантовыми точками всех размеров.

Что такое квантовые точки и почему они нужны мне в телевизоре?

«Синий - важная часть спектра, и это часть с наибольшей энергией - больше, чем красный или зеленый», - объясняет Джон Фолькманн, директор по маркетингу компании QD Vision, которая делает квантовые точки для нескольких телевизоров и мониторов. «Вы начинаете с высокоэнергетического света и преломляете его в более низкое энергетическое состояние, создавая красный или зеленый цвет... Начинать с красного или зеленого означало бы подтолкнуть скалу вверх ».

Квантовые точки крошечные, и их размер определяет их цвет. В этих телевизорах есть точки двух размеров.« Большие »светятся красным, а у них есть диаметром около 50 атомов. Меньшие из них, которые светятся зеленым, имеют диаметр около 30 атомов. Их миллиарды в телевизоре с квантовыми точками.

Это партия красных квантовых точек, которые готовятся в 70 -литровый чан. Он освещен ультрафиолетовым фонариком, из-за чего точки светятся красным.

Nanosys

Если вы наблюдали свет квантовых точек с помощью спектрометра, вы бы увидели очень острый и узкий пик излучения. Перевод: чистый красный и чистый зеленый свет, который проходит вместе с синим светом через поляризаторы, жидкие кристаллы и цветные фильтры.

Поскольку цветной свет - это хорошо, квантовые точки имеют преимущество перед традиционными ЖК-телевизорами в том, что касается ярких оттенков и цветовой гаммы. В обычном ЖК-дисплее белый свет, излучаемый светодиодами, имеет более широкий спектр. Он немного грязный, с большим количеством света, попадающего в цветовую гамму, недоступную для цветовых фильтров набора.

«Фильтр - вещь с очень большими потерями», - говорит президент и главный исполнительный директор Nanosys Джейсон Хартлов. Nanosys производит системы квантовых точек на основе пленки для нескольких продуктов. «Когда вы очищаете цвет с помощью цветного фильтра, вы практически не получаете пропускания через фильтр. Чем чище цвет, с которого вы начинаете, тем более расслабленной может быть функция фильтра. Это напрямую влияет на эффективность ».

Таким образом, с набором квантовых точек рассеивается очень мало света. Вы можете получить более яркие, насыщенные и точные цвета.Наборы, которые я лично видел на выставке CES 2015, безусловно, выглядели мощнее, чем ваш средний ЖК-дисплей.

Звучит дорого

Нет никаких сомнений в том, что телевизоры с квантовыми точками будут стоить больше, чем обычные ЖК-дисплеи, особенно потому, что они, скорее всего, будут иметь формат 4K. Но квантовая точка вызывает много шума, потому что она дешевле, чем OLED.

В глазах большинства людей OLED-телевизоры - лучшая из имеющихся технологий. Но их дорого строить и дорого покупать - вы смотрите на сумму от 3500 до 20 000 долларов, - а производственный процесс отличается по нескольким ключевым параметрам.Это большая причина, по которой LG - единственная компания, вкладывающая большие деньги в их создание.

И наоборот, наборы квантовых точек не требуют капитального ремонта процесса изготовления ЖК-дисплеев, и они обеспечивают гораздо более широкую цветовую гамму, чем традиционные ЖК-дисплеи. По цветопередаче они ближе к OLED, а также могут стать ярче. Это важно для HDR-видео.

«Привлекательность для OEM-производителей заключается в том, что это чистое решение для подключения к сети», - говорит генеральный директор Nanoco Майкл Эдельман, чья компания производит пленку на основе квантовых точек в рамках лицензионного соглашения с Dow Chemical.«Они удаляют лист рассеивателя перед световодной пластиной и заменяют его пленкой с квантовыми точками. Ничего не меняется в цепочке поставок, ничего не меняется на заводе. В некоторых случаях они получаются лучше, чем цвета OLED-дисплеев, за небольшую часть стоимости ».

Как и следовало ожидать, компании, производящие решения на основе пленки и трубки, рекламируют каждый подход как превосходный. QD Vision утверждает, что ее ламповый подход проще и дешевле в реализации, и он может улучшить цветовые характеристики более дешевых ЖК-мониторов с боковой подсветкой.Согласно QD Vision, кислородная барьерная пленка, необходимая для создания точек на основе пленки, является дорогостоящей, что объясняет, почему Nanoco и Nanosys сотрудничают с Dow и 3M для этой пленки.

Поставщики пленок говорят, что их метод имеет преимущество благодаря «световому взаимодействию» или способности направлять весь свет квантовых точек непосредственно на световодную пластину. Слой пленки также якобы лучше работает с системами подсветки полного массива, которые будут использоваться во многих телевизорах UHD и HDR.

Супер! Так это OLED за меньшие деньги?

Не совсем.Цветовая гамма важна, но это только один аспект качества изображения. Поскольку это ЖК-дисплеи, в них не будет самого черного черного, сверхшироких углов обзора и потрясающей контрастности OLED. И хотя дополнительная яркость и насыщенность делают цвета на экране действительно яркими, вся эта яркость может вызвать растекание света.

Вот лист пленки с квантовыми точками поверх системы синей светодиодной подсветки. Красные и зеленые квантовые точки в сочетании с синим светом создают «чистый» белый цвет, который можно эффективно направлять с помощью цветных фильтров набора.

Nanosys

Некоторые квантовые точки также содержат кадмий, который в больших количествах токсичен - подумайте о «заводских уровнях выбросов», а не о «запечатанных трубках или пленках в вашем телевизоре». Тем не менее, существуют проблемы со здоровьем и окружающей средой, особенно если несколько телевизоров с квантовыми точками окажутся на свалках. Европейский Союз ограничивает использование кадмия в бытовой технике. Некоторые производители квантовых точек продают свой продукт как не содержащий кадмия. QD Vision, которая поставляет квантовые точки для нового флагманского 4K-телевизора TCL, хорошо проверенных комплектов Sony Triluminos 2013 года, а также мониторов Philips и AOC, по-прежнему использует кадмий.

«Есть только пара материалов, которые оправдывают обещание квантовых точек», - говорит Фолькманн из QD Vision. «Другой - на основе индия. Кадмий превосходит по качеству цветопередачи, что означает более широкую цветовую гамму. Но также гораздо более энергоэффективным при преобразовании синего света в другие формы света, которые позволяют заполнить этот спектр. Люди, создающие растворы на основе индия, любят изображать кадмий плохим парнем ... Кадмий находится под наблюдением различных регулирующих органов по всему миру, но оказывается, что и индий тоже.”

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

квантовых точек кодируют историю вакцины в коже

«Мы в ловушке-22, как маленькие врачи, - говорит Михалиска. - Если мы ничего не сделаем, они умрут. Если мы хотим их спасти ... они могут выжить. , но у них, вероятно, будет разная степень заболевания легких в результате самого лечения ".

Более десяти лет Михалиска работает над решением: искусственная плацента, чтобы поддерживать жизнь очень маленьких недоношенных детей до тех пор, пока они не смогут дышать самостоятельно. Он уже доказал, что он может поддерживать недоношенных ягнят в течение нескольких недель.Создать дыхательный аппарат для недоношенного ребенка - нетривиальная задача, поскольку крошечный размер ребенка и хрупкая физиология создают как медицинские, так и инженерные проблемы. Команда Михалиски адаптирует существующие технологии для надежной работы с тончайшими кровеносными сосудами и разрабатывает материалы, совместимые с уникальной биологией плода. Теперь, после нескольких недавних открытий, Михалиска считает, что искусственная плацента его команды находится всего в пяти годах от испытаний на людях.

Его система - одна из нескольких разрабатываемых по всему миру разработок, направленных на обеспечение дыхания крайне недоношенных детей.Некоторые имитируют среду плода, погружая плод в ванну с жидкостью, которая приближается к условиям искусственной матки. Другие конструкции основаны на новой технологии, которая пытается имитировать дыхание легких.

Иллюстрация: Nastasic / Getty Images

По мере того, как эти устройства приближаются к клиническим испытаниям на людях, они также поднимают ряд этических вопросов о том, куда движется технология и наше общество. Некоторые специалисты по биоэтике опасаются, что противники абортов воспользуются спекулятивной идеей о том, что искусственная плацента может поддерживать жизнь младших и младших недоношенных детей.

Но исследователи сосредотачиваются на спасительной полезности этого направления исследований. «Это вселяет большие надежды на детей, которые родятся недоношенными», - говорит Дэвид Вайнберг, возглавляющий проект «Плацента человека» в Национальном институте здоровья детей и развития человека в Бетесде, штат Мэриленд. необходима до того, как эти технологии можно будет использовать в клинике, он впечатлен способностью исследователей продумать все процессы, необходимые для сохранения жизнеспособности плода: «Это невероятно."

Идея искусственной плаценты насчитывает более полувека. В 1953 году американские хирурги, оперирующие сердце взрослого пациента, успешно применили аппарат искусственного кровообращения для внешнего насыщения крови кислородом пациента. В следующем десятилетии ученые стремились опробовать новую технологию на недоношенных: в конце концов, насыщение кислородом крови вне тела - это то, что плацента делает для плода.В то время во многих больницах даже не было отделений интенсивной терапии для больных новорожденных.

Но в тестах на недоношенных ягнятах эти ранние оксигенаторы не могли долго поддерживать животных по не совсем понятным причинам. Тем временем начали появляться специальные методы вентиляции для новорожденных и лекарства для улучшения их функции легких, помогающие выжить тысячам недоношенных детей. Интерес к искусственной плаценте угас.

К началу нового тысячелетия оксигенатор нового типа стал использоваться в больницах, во многом благодаря Роберту Бартлетту, ныне вышедшему на пенсию хирургу из Мичиганского университета, известному как отец экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО). .Первые оксигенаторы работали, подвергая кровь прямому контакту с воздухом, что могло вызвать пузыри, которые блокировали кровеносные сосуды и не могли поддерживать пациентов в течение длительного периода времени. ЭКМО, в которой использовался оксигенатор нового типа, оказался более долговечным и безопасным подходом. Внутри оксигенатора в сердце системы ЭКМО кислород проталкивается через пучки полых волокон, сделанных из пластиковой мембраны, и диффундирует в кровь пациента, когда кровь течет вокруг волокон. Красные кровяные тельца поглощают кислород, возвращая углекислый газ в волокна.Этот метод использовался у десятков тысяч пациентов с легочной или сердечной недостаточностью и помог улучшить шансы недоношенных.

Но ЭКМО не применялась к крайне недоношенным детям младше 28 недель, и выживаемость этих крошечных существ оставалась низкой. Когда 15 лет назад Михалиска была принята на работу в Мичиганский университет для разработки программы хирургии плода, он сразу же заинтересовался работой Бартлетта. Он знал, что врачи не пробовали технологию ЭКМО на недоношенных, потому что опасались, что системы слишком велики для крошечных младенцев, которые могут весить менее 500 граммов.Более того, ЭКМО обычно требует доз гепарина, разжижающего кровь, чтобы предотвратить образование тромбов внутри контуров, что недопустимо для крайне недоношенных детей, потому что они уже предрасположены к кровотечениям. Тем не менее, Мышалиска была готова попытаться понять, можно ли приспособить оксигенаторы для использования на очень недоношенных.

Первым шагом было заставить систему работать с 118-дневными плодами ягненка, чьи легкие находятся на той же стадии развития, что и 24-недельные человеческие зародыши. Во время первых экспериментов исследователей в 2007 году они подключили животных к оксигенатору ECMO так же, как плоды будут подключены к плаценте.Кровь из пупочной артерии каждого ягненка вытекала через пластиковую трубку, называемую канюлей, проходила через оксигенатор, а затем текла обратно в тело ягненка через канюлю в пупочной вене. Михалиска надеялась, что сердца ягнят перекачут кровь через искусственную систему. Но один за другим поток крови ягнят замедлился. У двоих была сердечная недостаточность. «Мы не могли поддерживать поддержку дольше 4 часов», - вспоминает он.

Команда Михалиски обнаружила, что удаление ягнят из матки естественным образом вызвало сужение пупочной артерии, что привело к остановке всей системы.Исследователи решили эту проблему, используя яремную вену каждого животного для направления крови в оксигенатор. Поскольку кровь в венах не ускоряется сердцебиением (как в артериях), им пришлось добавить роликовый насос, чтобы кровь продолжала течь. Ученые пришли к выводу, что такой подход снизит давление на развивающееся сердце, если сопротивление в искусственном контуре будет выше, чем в естественной плаценте.

Пока крошечные ягнята лежали внутри инкубаторов, их легкие были наполнены жидкостью - поскольку легкие должны были естественно находиться на этой стадии развития - врачи и студенты круглосуточно наблюдали за ними, которые перенастраивали насосы и оксигенаторы, чтобы поддерживать постоянную концентрацию кислорода. и на уровнях, подходящих для недоношенного существа.Персонал поддержки давал животным ежечасно вливания белка, сахара, витаминов и других питательных веществ. За исключением того факта, что ягнята дышали через устройство, установленное на шесте рядом с ними, они вели себя как любые другие младенцы: сосали, двигались, а иногда и пинали ногами. «Как и любой ребенок в отделении интенсивной терапии, вы должны быть уверены, что он не причинит себе вреда», - говорит Бартлетт.

К 2014 году у Михалиски и его коллег система работала достаточно хорошо, чтобы выдержать ягнят в течение недели.С тех пор они увеличили этот период до трех недель, согласно недавним неопубликованным данным. Напротив, преждевременные ягнята, которых поместили на вентилятор, умирали в течение 8 часов. Чтобы убедиться, что ягнята нормально развивались на искусственной плаценте, команда произвела вскрытие умерщвленных животных, тщательно проанализировав их легкие, мозг и сердце. Пока результаты хорошие.

Подготовка к недоношенным детям: система искусственной плаценты, разработанная командой Георгия Михалиски, в течение нескольких недель сохраняла жизнь чрезвычайно недоношенным ягнятам.Он прогнозирует, что испытания недоношенных детей начнутся через пять лет. Фото: Мичиганский университет

Другие исследовательские группы продемонстрировали аналогичные результаты. В 2017 году врачи Исследовательского института Детской больницы Филадельфии (CHOP) объявили, что они успешно поддерживали чрезвычайно недоношенных ягнят, эквивалентных 23- или 24-недельным человеческим младенцам, на срок до четырех недель. Внутри их системы «биопакет» зародыши погружены в жидкость, похожую на амниотические, создавая более естественную среду, похожую на матку.Достижение исследователей CHOP, которые отказались комментировать эту статью, вызвало интенсивное освещение в СМИ, включая надуманные предположения о том, что однажды технология полностью заменит беременность.

Тем временем в Университете Западной Австралии в Перте исследователь перинатологии Мэтью Кемп и его коллеги разработали то, что они называют терапией среды матки ex vivo. В сотрудничестве с исследователями из Университета Тохоку и японской компанией по производству медицинского оборудования Nipro Corp., Команде Кемпа удалось вырастить крошечных ягнят (которые немного моложе мыцких ягнят) в течение недели. Как и команда CHOP, Кемп придумал, как подключить свою систему к пупочной артерии, не вызывая ее сужения, хотя докторам придется действовать очень быстро. Обе системы используют собственное сердце плода для перекачивания крови, что более естественно, но они также сопряжены с «рядом проблем, поскольку сердце плода довольно легко повредить», - говорит Кемп.

Хотя эти результаты показывают многообещающие, есть несколько основные проблемы.Во-первых, аппараты по-прежнему нельзя использовать на младенцах, которым нельзя давать препараты для разжижения крови. Кровь - это кошмар для инженеров по нескольким причинам, но особенно потому, что она начинает свертываться при попадании на любую неестественную поверхность. Пациентам на ЭКМО вводят гепарин, что нормально для типичных пациентов, и, по-видимому, ягнята в экспериментах Михалиской. Но это неприемлемый риск для младенцев младше 28 недель, поскольку барьеры между кровеносными сосудами и развивающейся нервной тканью еще не созрели.Предотвращение свертывания крови может легко вызвать смертельное кровотечение в мозг. «Это был один из слонов в комнате для этой работы», - говорит Михалиска.

Все группы боролись с этой проблемой. Для команды Мичалиски прорыв сделал химик из Мичиганского университета Марк Мейерхофф. Кровь обычно не свертывается. поскольку он циркулирует по телу человека отчасти потому, что слизистая оболочка кровеносных сосудов испускает непрерывный поток газообразного оксида азота, который предотвращает свертывание крови.Мейерхофф, Бартлетт и его коллеги разработали синтетический полимер, выделяющий оксид азота, и превратили его в покрытие для пластиковых труб. В сочетании с устройством, которое высвобождает оксид азота в сам оксигенатор (поскольку любое покрытие там может нарушить биологический газообмен), в результате получается вся система оксигенации, для которой не требуется гепарин. Во всех практических целях кровь будет вести себя так, как если бы она все еще была в теле. Михалиска говорит, что недавние эксперименты по тестированию системы с покрытием на недоношенных ягнятах были многообещающими.

Возможно, самая большая проблема, с которой борются команды, - это то, насколько крошечными являются недоношенные человеческие дети. Недоношенные ягнята могут весить на несколько килограммов больше, чем младенцы человека на аналогичной стадии развития легких, что делает их несовершенным аналогом. Кровеносные сосуды недоношенных людей могут иметь ширину всего 2 или 3 миллиметра, а это означает, что канюли, используемые для соединения устройств, должны быть чрезвычайно тонкими. Но по мере того, как канюли становятся меньше, падение давления внутри канюль и трубок увеличивается экспоненциально.Это означает, что насос устройства - будь то искусственный насос или сердце плода - должен будет работать намного тяжелее, чтобы протолкнуть жидкость, - ситуации, которой исследователи хотят избежать. «Еще предстоит провести немало биоинженерии и экспериментов, чтобы продемонстрировать, что вы можете поддерживать адекватный поток с помощью катетеров меньшего размера», - говорит Михалиска.

Вдобавок ко всему, объем большинства коммерческих оксигенаторов просто слишком велик, отмечает Ютта Аренс, инженер-биомеханик из Университета Твенте в Нидерландах, которая является частью европейской сети, разрабатывающей искусственную плаценту.Сегодняшние устройства могут работать с более тяжелыми младенцами с общим объемом крови в несколько сотен миллилитров, но не с, скажем, 600-граммовым младенцем с только 60 миллилитрами крови. Когда взрослые подключаются к ЭКМО, физиологический раствор используется для «заправки» системы, вытесняя воздух, и, попадая в пациента, он безвредно разбавляет его кровь. Однако у недоношенных детей есть предел того, сколько физиологического раствора может содержать их кровь. переносить до потери способности переносить кислород.Данная кровь взрослого человека также не идеальна, так как имеет совершенно другие газообменные свойства.

Во всем мире бригады, работающие с искусственными плацентами, используют разные подходы к этой проблеме. На данный момент команда Михалиски смотрит, как далеко они могут продвинуться с коммерческими оксигенаторами, в то время как группа Аренса в Нидерландах и группа Кемпа в Австралии разрабатывают оксигенаторы меньшего размера и трубки, специально предназначенные для этих крошечных пациентов.

В канадском университете Макмастера в Гамильтоне биомедицинский инженер Рави Селваганапати сотрудничает с командой из Нюрнбергской больницы в Германии над созданием совершенно нового типа оксигенатора, использующего легкие в качестве образца.Легкие являются такими эффективными газообменниками из-за архитектуры их кровеносных сосудов: большие входящие ветви разделяются на бесчисленные крошечные веточки, каждая толщиной в несколько микрометров. Эти веточки достаточно велики, чтобы отдельные эритроциты могли протиснуться через них по одному, позволяя им поглощать как можно больше кислорода.

Точно так же система Макмастера-Нюрнберга распадается на решетчатую сеть крошечных трубок, сделанных из газопроницаемого силикона, через которые красные кровяные тельца поглощают кислород из самой атмосферы.«Это точно так же, как легкое - оно дышит воздухом», - говорит Сельваганапати. Его команда в прошлом году сообщила, что этот микрофлюидный подход успешно поддерживал жизнь маленького больного поросенка в течение нескольких часов. Еще одно преимущество, по словам Нильса Рохова, немецкого неонатолога. Проект заключается в том, что блоки оксигенатора могут быть добавлены, если необходимо, для увеличения газообменной способности по мере роста недоношенных

Проектирование систем для самых деликатных людей означает уравновешивание многих соображений.Конструкции без помпы, которые полагаются на сердце недоношенного ребенка, могут не подойти детям с проблемами сердца. Но Рохоу отмечает, что искусственные насосы могут повредить переносящие кислород красные кровяные тельца. «Сегодня нельзя сказать, какой подход правильный, - говорит Аренс. - Может оказаться, что мы все на правильном пути, но для разных пациентов».

Мыхалиска ожидает, что его устройство будет испытано на младенцах в течение следующих пяти лет, в то время как команда CHOP говорит, что для них всего два года. Но другие настроены скептически.«Я думаю, им нужно провести гораздо больше тестов, прежде чем думать об этом как об искусственной матке для клинического использования», - говорит Анита Мун-Грейди, руководящая программой сердечно-сосудистой системы плода в Калифорнийском университете в Сан-Франциско.

Living Proof: «Большая Мардж» была крупнее ягнят, обычно связанных с системой искусственной плаценты. По завершении эксперимента она переехала жить на ферму, где произвела на свет двух здоровых потомков. Фото: Мичиганский университет

Анна Пенн, неонатолог и нейробиолог Колумбийского университета, говорит, что неясно, насколько результаты, полученные от овец, можно будет передать людям.Мозг овцы развивается с другой скоростью, чем мозг человека, а их пуповины намного короче и прямее, чем у человека; оба фактора могут повлиять на то, насколько хорошо устройства работают у людей. Пенн считает, что искусственные плаценты со временем появятся в клинике, но станут ли они широко распространенной частью неонатальной интенсивной терапии, будет зависеть от долгосрочных преимуществ и рисков. Она отмечает, что младенцы получают от плаценты гораздо больше, чем питание и кислород, включая гормоны и другие вещества, которые ученые только начинают понимать.«Я думаю, было бы замечательно, если бы можно было разработать что-то, что работает очень хорошо, [но я думаю,] маловероятно, что они когда-либо будут столь же эффективны, как здоровая функционирующая плацента».

И для специалистов по биоэтике искусственные плаценты ставят сложные вопросы Если устройства работают по назначению - помогают 24-недельным младенцам стать здоровыми 28-недельным - трудно понять, почему у кого-то могут возникнуть проблемы с ними, отмечает Дена Дэвис, специалист по биоэтике из Университета Лихай в Пенсильвании.Но могут возникнуть проблемы, если эту технологию использовать даже на более молодых плодах, - говорит она. В Соединенных Штатах юридическое обоснование аборта основывается на понятии жизнеспособности, то есть способности существовать вне тела женщины. Большинство врачей говорят, что плод теоретически жизнеспособен примерно в 24 недели. Если искусственные плаценты используются у более молодых плодов, «тогда это дает людям, склонным к выбору, больше возможностей сказать:« Ну, вы знаете, даже во втором триместре ребенок может быть жизнеспособным »», - говорит Дэвис.

Другие специалисты по биоэтике Некоторые ученые поднимают гораздо более серьезную проблему: когда экстракорпоральное оплодотворение стало обычным явлением, а искусственные плаценты находятся в стадии разработки, могут ли технологии в конечном итоге ликвидировать этот пробел и привести к созданию настоящих искусственных маток, в которых дети рождаются без матери? Освещение искусственной плаценты в СМИ? исследования часто вызывали Дивный новый мир , видение Олдоса Хаксли 1932 года антиутопического будущего, в котором люди массово производятся в «сливных бутылках» авторитарным государством, или фильм 1999 года Матрица , где люди производятся в жидкости. заполненные стручки.

С технологической точки зрения, эти научно-фантастические фантазии остаются именно такими - фантазиями. Аренс из Университета Твенте говорит, что неспособность канюлировать только крошечные кровеносные сосуды делает невозможным создание искусственной плаценты для любого ребенка младше 22 или 23 недель. И, несмотря на тысячи научных работ, посвященных изучению самых ранних стадий развития человека, многое остается загадкой в ​​отношении того, как матка создает идеальные условия для того, чтобы оплодотворенная яйцеклетка могла превратиться в плод.В ближайшее время невозможно будет воссоздать это искусственно, - говорит Грэм Бертон, биолог развития из Кембриджского университета.

Михалиска, в свою очередь, не имеет времени на фантазии. Он предпочитает реальность, которая сейчас живет на ферме в Мичигане. Несколько лет назад команда решила позволить одному здоровенному на вид ягненку на искусственной плаценте отлучить от груди воздух в помещении; затем они кормили ее из бутылочки около недели и пожертвовали на ферму. Выведенная из матки в 130 дней, Большая Мардж была намного старше ягнят, обычно подключенных к системе, и пробыла под ее опекой всего три дня.Но тот факт, что она прожила пять лет здоровой жизнью - и даже оставила после себя двоих молодых людей, - демонстрирует, чего Михалиска надеется когда-нибудь достичь в людях. Для него это не только предотвращение смерти, но и обеспечение здоровой жизни - и шанс произвести новую жизнь. «Это мечта, - говорит он. - По правде говоря, я думаю, что мы очень близки».

Эта статья опубликована в апрельском выпуске печати как «The Ultimate Incubator».

Quantum Dot - обзор

3.3 Что такое квантовые точки?

КТ - это класс материалов, в которых могут проявляться эффекты квантового ограничения. Это очень маленькие полупроводниковые кристаллы размером порядка нанометра, содержащие всего от сотни до тысячи атомов. В результате они плотно удерживают электроны или электронно-дырочные пары, называемые «экситонами» (объяснение в следующем разделе), во всех трех измерениях. КТ представляют собой подгруппу в семействе наноматериалов, которое включает металлы, изоляторы, полупроводники и органические материалы.В частности, термин «квантовая точка» относится только к полупроводниковым нанокристаллам, тогда как любой другой неорганический материал в нанорежиме называется «нанокристаллом».

КТ обладают электронными свойствами, промежуточными по сравнению с объемными полупроводниками и изолированными молекулами. Оптоэлектронные свойства определяются их размером и формой и изменяются в зависимости от этих переменных. Например, когда квантовые точки возбуждаются фотоном с энергией (где ν - частота падающего фотона), квантовые точки сравнительно большего размера, около 5–6 нм, излучают энергию с длиной волны оранжевого или красного цвета. .КТ меньшего размера излучают более короткие волны в синем или зеленом диапазоне. Как следствие, эти свойства могут быть специально настроены для получения желаемого результата путем изменения размера и формы точки. На рис. 3.3 показано изменение ширины запрещенной зоны квантовых точек при изменении размера. КТ могут быть изготовлены из одноэлементных материалов, таких как кремний или германий, или из сложных полупроводников, таких как CdSe, PbSe, CdTe и PbS [16–18]. КТ также иногда называют «искусственными атомами», поскольку эти материалы демонстрируют дискретные электронные состояния, наблюдаемые в атомах и молекулах.

Рис. 3.3. Изменение энергетической зоны в квантовых точках при изменении размера.

Благодаря своим уникальным свойствам КТ находят применение во многих областях, включая солнечные элементы, светодиоды, транзисторы, дисплеи, лазерные диоды, квантовые вычисления и медицинскую визуализацию [3–11]. В частности, КТ важны для оптоэлектронных приложений из-за их точно настраиваемой ширины запрещенной зоны и цвета излучения. Ожидается, что квантовые точки будут обеспечивать очень высокоэффективные солнечные элементы, а также превосходят традиционные органические красители, используемые в современном биологическом анализе.

Полупроводниковые квантовые точки: технологический прогресс и проблемы будущего

Достижения в коллоидных квантовых точках

Ограничение, обнаруженное в коллоидных полупроводниковых квантовых точках, позволяет создавать материалы с настраиваемыми свойствами. Гарсия де Аркер и др. содержит обзор последних достижений в методах синтеза и функционализации поверхности квантовых точек, которые позволяют точно настраивать их оптические, химические и электрические свойства. Эти важные разработки стимулировали коммерциализацию приложений для отображения и освещения и открывают многообещающие разработки в связанных областях лазерной генерации и зондирования.

Science , aaz8541, этот выпуск стр. eaaz8541

Структурированный реферат

ИСТОРИЯ ВОПРОСА

Полупроводниковые материалы обладают оптическими и электронными свойствами, которые могут быть изменены с помощью их состава и кристаллической структуры. Использование полупроводников, таких как арсенид кремния, галлия, привело к появлению технологий от компьютеров и мобильных телефонов до лазеров и спутников. Полупроводниковые квантовые точки (КТ) предлагают дополнительный рычаг: поскольку их размер уменьшен до нанометрового масштаба во всех трех измерениях, ограниченное движение электронов приводит к дискретной атомоподобной электронной структуре и уровням энергии, зависящим от размера.Это позволяет создавать наноматериалы с широко регулируемым поглощением света, ярким излучением чистых цветов, контролем над электронным переносом и широкой настройкой химических и физических функций из-за их большого отношения поверхности к объему.

ADVANCES

Яркое и узкополосное световое излучение полупроводниковых квантовых точек, настраиваемое в видимом и ближнем инфракрасном спектрах, является привлекательным для реализации более эффективных дисплеев с более чистыми цветами. КТ спроектированы композиционно и структурно для управления энергетическими состояниями и зарядовыми взаимодействиями, что приводит к оптическому усилению и генерации, относящейся к световому излучению в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн и оптоволоконной связи.Их настраиваемый химический состав поверхности позволяет применять их в качестве оптических меток в био-визуализации, что стало возможным благодаря связыванию квантовых точек с белками и антителами. Манипуляции с поверхностями квантовых точек с помощью покрывающих молекул, которые выполняют различные химические и физические функции, могут быть адаптированы для программирования их сборки в полупроводниковые твердые тела, увеличивая проводимость и позволяя преобразовывать фотонные и химические стимулы в электрические сигналы. Оптоэлектронные устройства, такие как транзисторы и фотодетекторы, позволяют создавать камеры, чувствительные к видимому и инфракрасному свету.Высококристаллические КТ могут быть выращены эпитаксиально на разумно выбранных подложках с использованием высокотемпературных и вакуумных условий, и их использование привело к коммерчески жизнеспособным лазерам с высокими характеристиками. Появление коллоидных квантовых точек, которые можно изготавливать и обрабатывать в растворах в мягких условиях, сделало возможным производство на больших площадях и расширило сферу применения квантовых точек на такие рынки, как бытовая электроника и фотоэлектрическая энергия.

OUTLOOK

С точки зрения химии, необходимы дальнейшие успехи в производстве квантовых точек, чтобы поддерживать и улучшать желаемые химические и оптоэлектронные свойства и делать это с высокой воспроизводимостью.Это влечет за собой использование недорогих методов синтеза и прекурсоров, которые способны сохранять лабораторные свойства квантовых точек в объемах, соответствующих рыночным требованиям. Для дальнейшего прогресса необходимо лучшее понимание пока неполной картины поверхностей КТ, расположения атомов и метастабильного характера. С точки зрения регулирования необходимо дополнительное внимание для получения высококачественных материалов, не содержащих тяжелые металлы, такие как Cd, Pb и Hg. Роль наноструктурирования в анализе токсичности и жизненного цикла каждого приложения становится все более важной.С точки зрения материалов и фотофизики открываются захватывающие возможности в понимании и использовании электронов в сильно ограниченных материалах, устранении разрыва между зрелыми эпитаксиальными квантовыми точками и все еще развивающимися коллоидными квантовыми точками. Все же несовершенное качество последних - цена, которую платят сегодня в обмен на простоту их изготовления - остается центральной проблемой, и ее необходимо решать для дальнейшего повышения производительности устройств. С точки зрения устройства, производство коллоидных квантовых точек должно развиваться, чтобы перейти от лабораторных приложений к приложениям большой площади, таким как рулонная и струйная печать.Фотокатализ, в котором свет используется для управления химическими превращениями, является новой областью, в которой интересны квантовые точки. Квантовые информационные технологии, основанные на преобразовании когерентного света и электронов, создают новые проблемы и возможности для использования эффектов квантового ограничения. В дальнейшем возможности остаются в разработке архитектур новых устройств с поддержкой QD.

Полупроводниковые технологии квантовых точек.

Квантовые точки обладают широкими возможностями настройки и отличительными оптическими, электрическими, химическими и физическими свойствами.Они охватывают сбор энергии, освещение, дисплеи, камеры, датчики, коммуникационные и информационные технологии, биологию и медицину, среди прочего. Они использовались для создания эффективных лазеров, дисплеев, биометок и устройств сбора солнечной энергии, доступных на рынке, и появляются в фотоэлектрической, сенсорной и квантовой информации.

Abstract

В квантово-ограниченных полупроводниковых наноструктурах электроны проявляют отличное поведение по сравнению с твердым телом.Это позволяет создавать материалы с настраиваемыми химическими, физическими, электрическими и оптическими свойствами. Нульмерные полупроводниковые квантовые точки (КТ) обеспечивают сильное поглощение света и яркое узкополосное излучение в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн и были разработаны для обеспечения оптического усиления и генерации. Эти свойства представляют интерес для получения изображений, сбора солнечной энергии, дисплеев и связи. Здесь мы предлагаем обзор достижений в синтезе и понимании наноматериалов с квантовыми точками с акцентом на коллоидные квантовые точки и обсуждаем их перспективы в таких технологиях, как дисплеи и освещение, лазеры, зондирование, электроника, преобразование солнечной энергии, фотокатализ и квантовый анализ. Информация.

Полупроводниковые квантовые точки - обзор

3.1 Введение

Полупроводниковые квантовые точки (КТ) оказались отличными кандидатами в качестве активного материала в оптоэлектронных устройствах. Сюда входят лазеры с микрорезонаторами с множеством квантовых точек, которые предлагают низкие пороговые токи, настраиваемые длины волн излучения в большом спектральном диапазоне, а также высокую температурную стабильность благодаря дискретному энергетическому спектру (Алферов, 2001; Парк и др. , 2004; Хендриксон) et al., 2005; Reitzenstein et al. , 2006; Strauf et al. , 2006; Ульрих и др. , 2007; Wiersig et al. , 2009 г .; Страуф и Янке, 2011). С другой стороны, всегда был большой интерес к системам резонаторов, которые включают только один эмиттер. Его чистая форма позволяет проводить фундаментальные исследования квантово-электродинамических (cQED) эффектов резонатора, таких как сильная связь и осцилляции Раби (Reithmaier и др. , 2004; Yoshie и др. , 2004), но также и для генерации не -классические источники света и однофотонные источники (Michler et al., 2000; Pelton et al. , 2002; Muller et al. , 2009 г .; Mohan et al. , 2010; Salter et al. , 2010). Постоянный прогресс в дизайне и манипуляциях с этими наноструктурами также привел к тому, что в этой области появилась генерация только с одним излучателем в резонаторе (Xie et al. , 2007; Reitzenstein et al. , 2008; Nomura et al. al. , 2009, 2010), тема, которой также уделяется внимание в этой главе и в главе 9.

Из-за дискретного энергетического спектра, обеспечиваемого трехмерным удержанием носителей в квантовых точках, иногда трудно устоять перед соблазном применить атомные двухуровневые модели для их теоретического описания.Они особенно привлекательны из-за простоты их решений, которые во многих случаях можно получить аналитически. Некоторые свойства, присущие квантовым точкам, обусловленные процессом роста и их встраиванием в полупроводниковую среду, требуют особого внимания, такие как возможность размещения нескольких возбуждений, энергетическая близость к состояниям континуума окружающего материала, а также процессы рассеяния. вносится кулоновским взаимодействием и взаимодействием с акустическими и оптическими фононами.В частности, энергетическое разделение образующихся многоэкситонных конфигураций может иметь ту же величину, что и ширина линий, что отличает эти системы от атомов. Хотя многие квантово-оптические эффекты сохраняются в поведении КТ при использовании в качестве материала усиления, полное понимание и характеристика устройств на основе КТ требует понимания основных процессов в полупроводниковой системе в целом.

Цель этой главы - предоставить читателю исчерпывающий обзор электронных свойств квантовых точек, включая эффекты рассеяния и дефазировки, вызванные взаимодействием многих частиц.Для одиночной квантовой точки в микрорезонаторе мы получаем теоретическое описание, которое охватывает весь диапазон приложений, от источника одиночных фотонов в резонаторе с малым QD до лазера с одиночными квантовыми точками в режиме высокого возбуждения. Он основан на прямом решении уравнения фон Неймана, которое включает гамильтониан Джейнса – Каммингса, который описывает взаимодействие света и вещества между резонатором и излучателем, а также члены рассеяния и дефазировки, которые рассматриваются в приближении Борна – Маркова.Мы уделяем особое внимание объяснению различий в атомной системе и проводим прямое сравнение с двухуровневой системой из учебника (Loudon, 1983; Meystre and Sargent, 1991; Carmichael, 1998).

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *