ควอนตัมดอท วัสดุนาโนมหัศจรรย์

เมื่อมนุษยชาติได้คิดค้นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ทำให้เกิดการพัฒนาของเทคโนโลยีในระดับสากลที่เล็กลง ถือเป็นการเปลี่ยนผ่านทางเทคโนโลยีเลยก็ว่าได้ การที่มนุษย์สามารถมองเห็นสสารในระดับอะตอมด้วยเทคโนโลยีดังกล่าวนี้เองที่ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่านาโนเทคโนโลยี (Nanotechnology)

ซึ่งคำว่านาโนนั้นก็หมายถึง (10-9= 0.000000001) นั่นคือเลขหนึ่งที่มีเลขศูนย์ข้างหน้าอยู่ถึงเก้าตัว หรือกล่าวคือเทคโนโลยีที่อยู่ในระดับนาโนเมตร (Nanometer) หากจะพิจารณาว่าเทคโนโลยีที่อยู่ในระดับนั้นได้ต้องมีขนาดประมาณไหน ก็สามารถกะได้คร่าวๆ คือ เส้นผมคนเราจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 ไมครอน (หรือ 100 ไมโครเมตร) เทคโนโลยีในระดับนาโนเมตรก็ย่อมมีขนาดเล็กกว่าเส้นผมของคนเราหนึ่งหมื่นถึงหนึ่งแสนเท่าเลยทีเดียว

หนึ่งในนาโนเทคโนโลยีที่โด่งดังคือควอนตัมดอท (Quantum Dots) ซึ่งเป็นการนำอะตอมของสสารจำพวกสารกึ่งตัวนำ (“ลูกครึ่ง” ระหว่างฉนวนและตัวนำ) มาประกอบกันเป็นจุดที่มีขนาดเล็กในระดับนาโน โดยในแรกเริ่มในช่วงปี 1970-1980 ^[1] สารดังกล่าวมีความน่าสนใจเพราะว่า เมื่ออิเล็กตรอนถูกบีบอัดอยู่ในที่แคบๆ ระดับชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนที่เปลี่ยนไปมาได้ตามการกระตุ้นจะมีขนาดแปรผกผันกับขนาดของระบบยกกำลังสอง ซึ่งนั่นหมายความว่ายิ่งสามารถทำให้ระบบมีขนาดเล็ก ค่าพลังงานดังกล่าวจะยิ่งมาก

กล่าวคือ หากเราสามารถที่จะสร้างสารที่มีโครงสร้างผลึกของสารกึ่งตัวนำได้เป็นลูกกลมๆ ในระดับนาโนเมตร ลูกกลมๆ ดังกล่าวจะมีระดับชั้นพลังงานที่สามารถควบคุมได้ โดยผลึกขนาดนาโนดังกล่าวมีระดับชั้นพลังงานคล้ายคลึงกับอะตอมตามแบบจำลองอะตอมของบอห์ร (Bohr’ s atomic model) ที่กล่าวไว้ว่าพลังงานของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบไฮโดรเจนอะตอมจะมีการแยกชั้นกันเป็นชั้นวงโคจรต่างๆ ความคล้ายคลึงนี้ทำให้ควอนตัมดอทนั้นมีชื่อเล่นว่า อะตอมสังเคราะห์ (Artificial Atoms) เพราะผลึกนาโนดังกล่าวมีคุณสมบัติที่อยู่ตรงกลางระหว่าง สสารที่มีขนาด กับ อะตอมเดี่ยวๆ เช่นไฮโดรเจนอะตอม โดยควอนตัมดอทมักจะมีขนาดอยู่ระหว่าง 2-10 นาโนเมตร ^[2] ขึ้นอยู่กับชนิดของสารกึ่งตัวนำที่นำมาใช้

ควอนตัมดอทที่มีขนาดเล็ก จะปล่อยแสงที่มีความความคลื่นสั้น และ ควอนตัมดอทขนาดใหญ่จะเปล่งแสงที่มีความยาวคลื่นยาว คุณสมบัติการทำให้เกิดชั้นพลังงานที่แยกออกจากกันเป็นแถบๆ เหมาะแก่การนำมาใช้ในเทคโนโลยีการแสดงผล (Display Technology)

ทีนี้หลายคนอาจจะสงสัยว่า แล้วเทคโนโลยีดังกล่าวมันดีกว่าไดโอดเปล่งแสง (Light Emitting Diode: LED) อย่างไร? ทำไมคนถึงให้ความสนใจ ในเมื่อมันเป็นที่ทราบกันดีว่าการค้นพบเรื่องไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงินโดยทีมงานของศาสตราจารย์ อิซามุ อคาซากิ ฮิโรชิอามาโน และ ชูจิ นาคามุระ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ไปเมื่อปี 2014 ^[3] ซึ่งการค้นพบไดโอดเปล่งแสงสีน้ำเงิน ซึ่งเป็นสีสุดท้ายของการแสดงผลแบบ RGB (Red Green Blue) ตามการแสดงผลแบบปกตินั้น สามารถทำได้โดยการผสมสีของไดโอดเปล่งแสง และทำให้เทคโนโลยีแสดงผล ตลอดจนการส่งสัญญาณไฟ ได้ระบบ RGB สามารถทำได้ทั้งหมดแล้วด้วยไดโอดเปล่งแสง ซึ่งประหยัดพลังงานกว่าหลอดไฟแบบดั้งเดิม หรือ แม้แต่หลอดฟลูออเรสเซนส์ ดังจะสังเกตได้จากปริมาณกำลังไฟ (วัตต์) ที่หลอดไฟในยุคปัจจุบันจำเป็นต้องใช้น้อยลงเรื่อยๆ เพื่อให้ได้ความสว่างเท่าเดิม และทำให้จอ LED มีขนาดที่แบนลง กินไฟน้อยลง และยังให้แสงสว่างและภาพที่คมชัดขึ้น

อย่างไรก็ดี คาดว่าหลายๆ คนตอนไปเลือกซื้อ Smart TV รุ่นใหม่ๆ จะเห็นคำว่า QLED [4] ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ผสมผสานควอนตัมดอทเข้าไปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแสดงผล โดย ปกติ จอ LED นั้น จะทำมาจากสารที่เรียกว่า Liquid Crystal ซึ่งเป็นเทคโนโลยีพื้นฐานของจอ LCD (Liquid Crystal Display) โดย จอ LED นั้น จะมีการฉายแสงด้วย Blue LED และมีชั้นที่เรียกว่า RGB backdrop เพื่อเปลี่ยนแสงที่ได้จาก LED เป็นสีที่พึงประสงค์ตามการผสมสีของ RGB ในแต่ละ pixel ซึ่งวิธีการดังกล่าวจะมีการสูญเสียพลังงานในทุกๆ pixel เนื่องจากการดูดกลืนแสงในชั้น RGB backdrop และยังมีข้อจำกัดในแง่ของ contrast ของภาพที่ได้ไม่เป็นธรรมชาติ และยังมีมุมมองของการแสดงผลที่จำกัด ในทางกลับกัน เทคโนโลยี QLED ที่มีสารละลายของควอนตัมดอท ผสมอยู่ แทนการใช้ RGB backdrop แบบดั้งเดิม ทำให้ได้การเปลงแสงที่สูญเสียพลังงานน้อยกว่า และได้รับภาพที่คมชัดและเป็นธรรมชาติกว่า เนื่องด้วยธรรมชาติการเปล่งแสงที่มีประสิทธิภาพ สูงของเจ้าตัวควอนตัมดอทนี้เอง ^{[4, 5]} ซึ่งทีวีหลายๆ เจ้าก็ได้นำเทคโนโลยีควอนตัมดอทนี้มาประยุกต์ใช้ในระดับอุตสาหกรรมเพื่อการขายเทคโนโลยีแสดงผลนี้ เช่น บริษัทซัมซุงเป็นต้น

นอกจากนี้ ด้วยคุณสมบัติการเปล่งแสงที่พิเศษและขนาดที่เล็กของควอนตัมดอทนี้เอง ยังทำให้ควอนตัมดอท สามารถนำไปใช้ประยุกต์ในหลายๆ ด้านเช่น การใช้คุณสมบัติการเปล่งแสงของคาร์บอนควอนตัมดอทตามอวัยวะต่างๆ ภายในเพื่อตรวจสอบแบบไม่ทำลายล้าง โดยสังเกตภาพที่เกิดจากการเปล่งแสงที่ความยาวคลื่นต่ำๆ ของสารละลายคาร์บอนควอนตัมดอทที่ฉีดเข้าไปในร่างกายของสิ่งมีชีวิต ^[6] หรือแม้แต่การใช้ควอวนตัมดอทเป็นตัวนำสารเคมีเพื่อไปรักษาเฉพาะจุด ^[7] เนื่องจากตัวสารมีขนาดเล็ก และสามารถเคลือบผิวของควอนตัมดอทชนิดที่ไม่เป็นอันตรายต่อร่างกายสิ่งมีชีวิตด้วย ยาชนิดต่างๆ เพื่อทำการรักษาเฉพาะจุดได้ ยิ่งไปกว่านั้น ยังมีการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อใช้ควอนตัมดอทเป็นแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวสำหรับการทดลองทางควอนตัม ด้วยคุณสมบัติการเปล่งแสงที่แสนพิเศษนี้

จะเห็นได้ว่า เทคโนโลยีควอนตัมดอท หรือสิ่งที่มีชื่อเล่นว่าอะตอมสังเคราะห์นี้ นอกจากจะมีประโยชน์ต่อมนุษยชาติในแง่วิทยาศาสตร์แล้ว ยังได้มีการพัฒนาไปจนถึงระดับที่มีการนำมาใช้ในระดับอุตสาหกรรมต่างๆ แล้วด้วย ไม่แน่ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ เราอาจจะเห็นเทคโนโลยีควอนตัมดอทในชีวิตประจำวันมากขึ้นไปอีกก็เป็นได้ จึงถือได้ว่าเจ้าควอนตัมดอทนี้เป็นหนึ่งในสารมหัศจรรย์ตัวหนึ่งที่น่าติดตามเลยก็ว่าได้

อ้างอิง

• [1] “50 & 100 years ago,” (in en) , Nature, vol. 467, no. 7313, pp. 279-279, 2010/09// 2010, doi: 10.1038/467279a.
• [2] D. Bera, L. Qian, T.-K. Tseng, and P. H. Holloway, “Quantum Dots and Their Multimodal Applications: A Review,” (in en) , Materials, vol. 3, no. 4, pp. 2260-2345, 2010/04// 2010, doi: 10.3390/ma3042260.
• [3] J. Heber, “Nobel Prize 2014: Akasaki, Amano & Nakamura,” (in en) , Nature Physics, vol. 10, no. 11, pp. 791-791, 2014/11// 2014, doi: 10.1038/nphys3147.
• [4] M. Zhang et al., “Ultrasmooth Quantum Dot Micropatterns by a Facile Controllable Liquid-Transfer Approach: Low-Cost Fabrication of High-Performance QLED,” J. Am. Chem. Soc., vol. 140, no. 28, pp. 8690-8695, 2018/07/18/ 2018, doi: 10.1021/jacs.8b02948.
• [5] H. J. Jang et al., “Progress of display performances: AR, VR, QLED, OLED, and TFT,” Journal of Information Display, vol. 20, no. 1, pp. 1-8, 2019/01/02/ 2019, doi: 10.1080/15980316.2019.1572662.
• [6] P. G. Luo et al., “Carbon “quantum” dots for optical bioimaging,” (in en) , J. Mater. Chem. B, vol. 1, no. 16, pp. 2116-2127, 2013/03/27/ 2013, doi: 10.1039/C3TB00018D.
• [7] L. Qi and X. Gao, “Emerging application of quantum dots for drug delivery and therapy,” Expert Opinion on Drug Delivery, vol. 5, no. 3, pp. 263-267, 2008/03/01/ 2008, doi: 10.1517/17425247.5.3.263.