Вчені створили екологічно чисті «квантові чорнила», які можуть замінити токсичні метали в інфрачервоних детекторах. Прорив може зробити нічне бачення швидшим, чистішим та доступнішим для більш широкого кола галузей.
Токсичні метали проти інфрачервоних інновацій
Виробники інфрачервоних камер стикаються з зростаючою проблемою. Багато матеріалів, що використовуються в сучасних детекторах, включаючи токсичні важкі метали, тепер обмежені в рамках екологічних норм. Як результат, компанії часто виявляються змушеними вибирати між підтримкою ефективності або дотриманням стандартів відповідності.
Ці правила посилення сповільнили поширення інфрачервоних технологій на цивільних ринках, навіть коли інтерес зростає в таких сферах, як транспортні засоби, що керують самостійно, медичні візуалізації та національна безпека.
Команда з інженерної школи NYU Tandon представила перспективну альтернативу у дослідженні, опублікованому в Прикладні матеріали та інтерфейси ACS. Їх підхід замінює ртуть, свинцю та інші обмежені речовини екологічно чистими квантовими крапками, які можуть виявити інфрачервоне світло, не покладаючись на небезпечні матеріали.
Альтернатива квантової крапки
Замість традиційних, повільних та дорогих методів виготовлення, які вимагають розміщення атомів з надзвичайною точністю для пікселів детектора (подібно до ретельного складання головоломки під мікроскопом), дослідники звернулися до колоїдних квантових крапок.
Ці квантові крапки створюються повністю у рідкій формі, як, наприклад, змішування чорнила, а потім застосовуються за допомогою масштабованих методів покриття, вже поширених у галузях, таких як упаковка та друк газет. Перехід від конструкції з атома за атом до цього процесу на основі рішень може зменшити виробничі витрати та зробити масштабне комерційне використання інфрачервоних детекторів набагато більш здійсненними.
Промислові вузькі місця та прориви
“Промисловість стикається з ідеальною бурею, де екологічні норми посилюються так само, як вибухає попит на інфрачервону візуалізацію”, – сказав Аяканта Саху, доцент кафедри хімічної та біомолекулярної інженерії (CBE) в NYU Tandon та старшого автора дослідження. “Це створює справжні вузькі місця для компаній, які намагаються збільшити виробництво систем теплової візуалізації”.
Ще одне завдання, яке вирішили дослідники, – це зробити квантову крапку чорнила достатньо, щоб передати сигнали від вхідного світла. Вони досягли цього за допомогою методики під назвою обмін лігандами-фазою розчину, яка адаптує квантову хімію поверхні крапки для підвищення продуктивності в електронних пристроях. На відміну від традиційних методів виготовлення, які часто залишають тріщинні або нерівні плівки, цей процес на основі рішення дає плавні, рівномірні покриття за один крок-ідеально підходить для масштабованого виготовлення.
Палаюча швидка реакція та чутливість
Отримані пристрої демонструють чудову продуктивність: вони реагують на інфрачервоне світло на мікросекундному часовому масштабі – для порівняння людське око блимає зі швидкістю сотні разів повільніше – і вони можуть виявляти сигнали як слабкі як нановот світла.
“Мене хвилює те, що ми можемо приймати матеріал, який давно вважається занадто важким для реальних пристроїв, і інженер його буде більш конкурентоспроможним”, – сказав дослідник випускника Шлок Дж. Пол, провідний автор дослідження. “Маючи більше часу, цей матеріал має потенціал блискуче в інфрачервоному спектрі, де для таких завдань існує мало матеріалів”.
Прозорі електроди: відсутній шматок
Ця робота додає попередніх досліджень тими ж провідними дослідниками, які розробили нові прозорі електроди за допомогою срібних нанопроводів. Ці електроди залишаються дуже прозорими до інфрачервоного світла, ефективно збираючи електричні сигнали, звертаючись до однієї компонента інфрачервоної системи камер.
У поєднанні з їх попередніми прозорими роботами електродів ці розробки стосуються обох основних компонентів інфрачервоних систем візуалізації. Квантові крапки забезпечують екологічну здатність зондування, в той час як прозорі електроди обробляють та обробляють сигнал.
До масштабних інфрачервоних масивів
Ця комбінація стосується проблем у масивах інфрачервоних зображень великої площі, які потребують високоефективного виявлення на широких областях та зчитування сигналу від мільйонів окремих пікселів детектора. Прозорі електроди дозволяють світлу досягати квантових детекторів крапки, забезпечуючи при цьому електричні шляхи для вилучення сигналу.
“Кожна інфрачервона камера в Tesla або смартфоні потребує детекторів, які відповідають екологічним стандартам, залишаючись економічно вигідними”,-сказав Саху. “Наш підхід може допомогти зробити ці технології набагато доступнішими”.
Продуктивність все ще не відповідає найкращим детекторам на основі важких металів у деяких вимірюванні. Однак дослідники очікують, що постійні досягнення в синтезі квантових DOT та інженерії пристроїв можуть зменшити цю прогалину.
Довідка: «Без важких металів AG2SE Quantum Dot Inks для близького до короткохвильового інфрачервоного виявлення »Шлок Дж. Пол, Летіан Лі, Чжен Лі, Томас Кайве, Ана Ватай та Аясканта Саху, 11 вересня 2025, Прикладні матеріали та інтерфейси ACS.
Doi: 10.1021/acsami.5c12011
Окрім Саху та Павла, автори документу – Летіан Лі, Чжен Лі, Томас Кайве та Ана Ватай, всі з Nyu Tandon Cbe. Роботу підтримали Управління військово -морських досліджень та Агентства з питань передових досліджень оборони.
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
Слідкуйте за нами в Google, Discover та News.
