«Κβαντικό μελάνι»: Η πράσινη τεχνολογία που φέρνει την επανάσταση στη νυχτερινή όραση

Οι κάμερες υπερύθρων, βασικό εργαλείο σε τομείς από την ασφάλεια μέχρι την ιατρική, αντιμετωπίζουν τα τελευταία χρόνια ένα σοβαρό αδιέξοδο: τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των αισθητήρων τους περιέχουν τοξικά βαρέα μέταλλα, τα οποία πλέον περιορίζονται αυστηρά από τις περιβαλλοντικές νομοθεσίες. Αυτή η εξέλιξη φρενάρει τη διάδοση της τεχνολογίας σε μια εποχή που η ζήτηση για εφαρμογές νυχτερινής όρασης και θερμικής απεικόνισης αυξάνεται διαρκώς.

Μια ερευνητική ομάδα του NYU Tandon School of Engineering φαίνεται πως βρήκε τη λύση, παρουσιάζοντας μια πρωτοποριακή μέθοδο που αξιοποιεί οικολογικά φιλικούς κβαντικούς κρυστάλλους. Το νέο αυτό υλικό, που οι ίδιοι αποκαλούν «quantum ink», λειτουργεί σαν μελάνι και υπόσχεται να κάνει τους υπέρυθρους ανιχνευτές πιο φτηνούς, πιο γρήγορους και πιο φιλικούς προς το περιβάλλον.

Μέχρι σήμερα, οι αισθητήρες υπερύθρων κατασκευάζονταν με χρονοβόρες και εξαιρετικά ακριβείς διαδικασίες, όπου τα άτομα τοποθετούνταν σχεδόν ένα προς ένα πάνω στους ανιχνευτές. Πρόκειται για μια μέθοδο που θυμίζει την τοποθέτηση κομματιών παζλ κάτω από μικροσκόπιο, με κόστος που καθιστούσε την τεχνολογία απρόσιτη για ευρεία χρήση.

Η νέα προσέγγιση με τους κολλοειδείς κβαντικούς κρυστάλλους αλλάζει εντελώς τα δεδομένα. Οι κρύσταλλοι αυτοί συντίθενται εξ ολοκλήρου σε διάλυμα και μπορούν να εφαρμοστούν με απλές τεχνικές επίστρωσης, αντίστοιχες με αυτές που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία εκτύπωσης. Έτσι, η παραγωγή μπορεί να γίνει γρήγορη, οικονομική και κλιμακούμενη, ανοίγοντας τον δρόμο για τη μαζική υιοθέτηση συστημάτων υπερύθρων.

Όπως εξηγεί ο Ayaskanta Sahu, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής του NYU Tandon και επικεφαλής της μελέτης, «η βιομηχανία βρίσκεται αντιμέτωπη με μια τέλεια καταιγίδα: οι κανονισμοί γίνονται όλο και πιο αυστηροί ενώ η ζήτηση για συστήματα υπερύθρων εκτοξεύεται».

Η νέα τεχνολογία φιλοδοξεί να λύσει αυτόν τον γρίφο. Χάρη στην παραγωγή «quantum ink», οι εταιρείες δεν θα χρειάζεται να διαλέξουν ανάμεσα στην απόδοση και τη συμμόρφωση με τα περιβαλλοντικά πρότυπα, καθώς οι κβαντικοί κρύσταλλοι δεν περιέχουν μόλυβδο ή υδράργυρο.

Μια από τις βασικές δυσκολίες για την αξιοποίηση των κβαντικών κρυστάλλων ήταν η αγωγιμότητά τους, η ικανότητα δηλαδή να μεταφέρουν το σήμα που δημιουργείται από το φως. Οι ερευνητές κατάφεραν να λύσουν αυτό το ζήτημα με μια τεχνική που βελτιώνει τη χημεία στην επιφάνεια των κρυστάλλων. Το αποτέλεσμα είναι λεπτά, ομοιόμορφα φιλμ που αποδίδουν πολύ καλύτερα από τις παραδοσιακές μεθόδους.

Τα πρώτα δείγματα συσκευών που δημιουργήθηκαν με τη νέα τεχνολογία δείχνουν εντυπωσιακές επιδόσεις: ανταποκρίνονται στο υπέρυθρο φως σε κλίμακα μικροδευτερολέπτων – εκατοντάδες φορές πιο γρήγορα από το ανθρώπινο βλέφαρο – ενώ είναι ικανά να ανιχνεύσουν ακόμα και τα πιο αδύναμα σήματα φωτός.

Για τον Shlok J. Paul, υποψήφιο διδάκτορα και πρώτο συγγραφέα της μελέτης, το πιο συναρπαστικό στοιχείο είναι ότι «ένα υλικό που θεωρούνταν για χρόνια ακατάλληλο για πρακτικές εφαρμογές, τώρα δείχνει ότι μπορεί να σταθεί ανταγωνιστικά». Με περαιτέρω εξέλιξη, οι κβαντικοί κρύσταλλοι ίσως καλύψουν φάσματα του υπέρυθρου όπου σήμερα υπάρχουν ελάχιστες διαθέσιμες τεχνολογίες.

Η έρευνα συνδέεται και με προηγούμενη δουλειά της ίδιας ομάδας, η οποία είχε παρουσιάσει διάφανα ηλεκτρόδια βασισμένα σε ασημένια νανοσύρματα. Τα ηλεκτρόδια αυτά αφήνουν το υπέρυθρο φως να περάσει, ενώ παράλληλα συλλέγουν με αποδοτικότητα τα ηλεκτρικά σήματα. Σε συνδυασμό με τους κβαντικούς κρυστάλλους, αποτελούν τα δύο θεμελιώδη στοιχεία για τη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος απεικόνισης υπερύθρων.

Η προοπτική είναι τεράστια. Από τα αυτοκίνητα αυτόνομης οδήγησης που χρειάζονται κάμερες νυχτερινής όρασης, μέχρι τη διάγνωση μέσω ιατρικής απεικόνισης και τις καταναλωτικές συσκευές, η τεχνολογία μπορεί να φέρει τις υπέρυθρες κάμερες από τα στρατιωτικά εργαστήρια στις τσέπες των πολιτών. Όπως σημειώνει ο Sahu, «κάθε κάμερα υπερύθρων σε ένα Tesla ή σε ένα smartphone πρέπει να συνδυάζει περιβαλλοντική συμμόρφωση και χαμηλό κόστος. Η προσέγγισή μας μπορεί να κάνει αυτές τις τεχνολογίες πολύ πιο προσβάσιμες».

Παρότι οι επιδόσεις των νέων αισθητήρων δεν ξεπερνούν ακόμη τις παραδοσιακές λύσεις με βαρέα μέταλλα, οι ερευνητές εκτιμούν ότι με βελτιώσεις στη σύνθεση και τον σχεδιασμό των συσκευών, η διαφορά αυτή θα μειωθεί σημαντικά.

[via]