Защищать денежные знаки и диагностировать онкологические заболевания, повышать урожайность сельхозкультур и обеспечивать наиболее комфортное для человека освещение… На все это способны квантовые точки — полупроводниковые кристаллы размером от единиц до нескольких десятков нанометров.
На фото: Михаил Вакштейн, генеральный директор «Нанотех-Дубна»
Их с недавних пор в промышленных масштабах производит компания НТИЦ «Нанотех-Дубна», родившаяся из совместного проекта двух соинвесторов — ОАО «РОСНАНО» и ФГУП «НИИ прикладной акустики» (Дубна).
Размер квантовых точек имеет ключевое значение для их свойств: от величины частиц напрямую зависит переизлучаемый ими спектр. Двухнанометровый кристалл из селенида кадмия флуоресцирует голубым светом, а семинанометровый — из тех же самых частиц — дает красное свечение. Каждый новый размер рождает уникальный свет. Изменяя величину кристалла, ученые могут получить любую длину волны, с разницей буквально в 1–2 нанометра.
Чтобы перейти в другой световой диапазон, достаточно заменить один полупроводник на другой. Если селенид кадмия обеспечивает видимое излучение, то сульфид или селенид цинка «отвечают» за ультрафиолетовый спектр. За сульфидом или селенидом свинца «числится» инфракрасная область.
«С помощью квантовых точек можно получить излучение практически в любой области спектра — от ультрафиолетовой до инфракрасной», — говорит генеральный директор «Нанотех-Дубна» Максим Вакштейн, под руководством которого в НИИ прикладной акустики и были разработаны технологии синтеза квантовых точек. И продолжает: «У квантовых точек есть одна особенность — непрерывный спектр поглощения. Они поглощают во всем диапазоне длин волн: скажем, флуоресцируют в красной области спектра, а поглощают и в ультрафиолетовой, и в фиолетовой, и в голубой — вплоть до красной».
Такие характеристики делают полупроводниковые наночастицы уникальным материалом для солнечных батарей: они станут максимально эффективными, потому что благодаря квантовым точкам будут соответствовать всему спектру солнечного света.
Точка по имени Солнце
«Некоторые солнечные батареи недостаточно хорошо поглощают ультрафиолетовый компонент. Следовательно, батарея в данном спектре неэффективна», — говорит Максим.
С помощью новых технологий это легко исправить. Солнечная батарея покрывается тонкой полимерной пленкой, содержащей квантовые точки. Они не просто «съедают» ультрафиолетовый свет, но и переводят его в другую, более длинноволновую часть спектра. Например, зеленую, которую солнечная батарея воспринимает гарантированно.
Максим Вакштейн называет это дауншифтом. Слово малопонятное, зато результат очевидный: увеличение эффективности солнечных батарей, «обернутых» в специальную пленку с квантовыми точками, достигает 10 процентов.
На фото: Квантовые точки в полимерных пленках светятся под ультрафиолетом
«Технология достаточно простая, — утверждает Максим. — Главное — не приходится вмешиваться в устройство солнечной батареи. Достаточно ее уже готовую покрыть сверху пленкой».
Однако пока из многокилограммового объема квантовых точек, которые производит «Нанотех-Дубна», основная часть уходит на защиту ценных бумаг. Наночастицы служат надежными метками, по которым специальные считывающие устройства определяют, подлинный объект или поддельный, вне зависимости от того, из чего он изготовлен: из бумаги, полимера или металла.
«Квантовыми точками мы начали заниматься именно из-за этого направления, — признается Максим. — Направление с маркировкой ценных бумаг было выделено как приоритетное — во многом потому, что оно реализуемо гораздо проще, чем остальные. Путь на рынок достаточно короткий, потому что не требуется создание каких-то очень сложных электронных систем».
В деле защиты ценных бумаг находит применение еще одно уникальное свойство квантовых точек — их фотостабильность. Оно выходит на передний план, когда дело касается документов, срок службы которых исчисляется не одним десятком лет. Например, если речь идет о паспорте.
Необычный эффект производят квантовые точки в области сельского хозяйства. Использование их в качестве добавок в полимерных материалах, которыми покрывают теплицы, дает возможность не только «убирать» вредный для растений ультрафиолет и защищать от него саму пленку, но и переизлучать его в красную область спектра, которая, в свою очередь, стимулирует рост растений, повышая урожайность. Аналогичные пленки с добавками редкоземельных элементов изготавливают уже давно. Но они ограничены в своих возможностях: например, европий может переизлучать только на 612 нм. А вот квантовые точки можно настроить на любую длину волны — наиболее подходящую для растений.
«Мы испытывали наши материалы в разных условиях и на различных культурах — томатах, капусте, листовом салате, — перечисляет Максим Вакштейн. — Получили действительно многообещающие результаты: урожайность намного выше, нежели у растений, находящихся под обычными пленками с редкоземельными элементами. При этом свойства пленки, „начиненной” квантовыми точками, сохраняются в течение долгого времени».
Материалы с квантовыми точками прошли испытания на различных сельхозкультурах. Сегодня разработчики готовятся получить международный сертификат на свой продукт в Голландии — признанном мировом лидере в области растениеводства.
«Испытания очень дорогие, — отмечает Максим Вакштейн. — Стоимость одного — порядка 150 тысяч евро, что сравнимо с бюджетом небольшого научно-технического проекта. Однако у голландцев применяется годами проверенная методология, все делается на высочайшем уровне, и это того стоит. Парники покрыты датчиками, которые контролируют все, что можно: влажность, температуру, солнечную радиацию. Стоят ульи с пчелами, которые в нужном режиме опыляют растения. Это действительно хай-тек в своей области».
!Успехов в получении сертификата в Голландии!