ההבדל העיקרי בין נקודות פחמן לנקודות קוונטיות הוא שנקודות פחמן הן ננו-חלקיקי פחמן קטנים, בעוד שנקודות קוונטיות הן חלקיקים מוליכים למחצה קטנים.
הן נקודות פחמן והן נקודות קוונטיות נופלות לתחום מכניקת הקוונטים. אלו הם חלקיקים קטנים בקנה מידה ננו.
מהן נקודות פחמן?
נקודות פחמן הן ננו-חלקיקי פחמן קטנים בעלי צורה כלשהי של פסיביות פני השטח. גודלם פחות מ-10 ננומטר. נקודות אלו התגלו לראשונה בשנת 2004 בטעות באמצעות טיהור של ננו-צינורות פחמן בעלי דופן חד-פעמית.
התכונות של נקודות פחמן תלויות אך ורק במבנים ובהרכב שלהן.רוב הפעמים, חלקי קרבוקסיל רבים על פני השטח של נקודות הפחמן מקנים מסיסות מצוינת במים ותאימות ביולוגית. חלקים אלה נוטים לאפשר לנקודות הפחמן לשמש כננו-חלקיקים מוליכים פרוטונים. יתרה מכך, חלקיקים אלו מתאימים לשינוי כימי ולפסיבציה של פני השטח לצד חומרים אורגניים, פולימריים, אנאורגניים או ביולוגיים שונים.
ישנן שתי שיטות לסינתזה של נקודות פחמן. שני אלה הם שיטת "מלמעלה למטה" ושיטת "מלמטה למעלה". אנו יכולים להשיג את הייצור של נקודות הפחמן באמצעות תהליכים אלה באמצעות טכניקות כימיות, אלקטרוכימיות ופיזיקליות.
איור 01: נקודות פחמן שהוכנו ממקורות שונים
שיטת "מלמעלה למטה" כוללת פירוק של מבני פחמן גדולים (למשל גרפיט, ננו-צינורות פחמן וננו-יהלום) לנקודות פחמן בעזרת אבלציה בלייזר, פריקת קשת ושיטה אלקטרוכימית.
שיטת ה"מלמטה למעלה" לייצור נקודות פחמן כוללת חומרים מבשרים קטנים כגון פחמימות, ציטראט וננו-מרוכבים של סיליקה פולימריים. מקורות אלה עוברים טיפול הידרותרמי/סולוותרמי, נתמכים סינתטיים ומסלולים סינתטיים במיקרוגל.
מהן נקודות קוונטיות?
נקודות קוונטיות הן חלקיקים מוליכים למחצה קטנים בקנה מידה ננומטרי, בעלי תכונות אופטיות ואלקטרוניות השונות מחלקיקים גדולים על פי מכניקת הקוונטים. אם אנו צופים בנקודות קוונטיות באמצעות הארה תחת אור UV, אלקטרון בנקודה הקוונטית נוטה להתרגש למצב בעל אנרגיה גבוהה יותר. תהליך זה מתאים למעבר של אלקטרון מרצועת הערימות לפס המוליכות כאשר מדובר בנקודה הקוונטית המוליכה למחצה.אז האלקטרון הנרגש יכול לרדת בחזרה לרצועת הערכיות באמצעות שחרור האנרגיה שלו באמצעות פליטת אור. פליטת אור זו נקראת photoluminescence, ונוכל להמחיש אותה באופן הבא:
איור 02: Photoluminescence של נקודות קוונטיות המעניקות צבעים שונים מנקודות קוונטיות בגדלים שונים
בדרך כלל, התכונות של נקודות קוונטיות הן ביניים לאלו של מוליכים למחצה בתפזורת ואטומים או מולקולות נפרדות. יתרה מכך, המאפיינים האופטואלקטרוניים של נקודות קוונטיות משתנות כפונקציה של גודל וצורה כאחד. בדרך כלל, נקודות קוונטיות גדולות פולטות אורכי גל ארוכים, והצבעים הנפלטים מנקודות קוונטיות אלו נעים בין כתום לאדום.לעומת זאת, נקודות קוונטיות קטנות נוטות לפלוט אורכי גל קצרים יותר מה שמוביל לצבעים כמו כחול וירוק. עם זאת, אנו יכולים לראות שהצבע יכול להשתנות בהתאם להרכב המדויק של הנקודה הקוונטית.
היישומים העיקריים של נקודות קוונטיות כוללים ייצור טרנזיסטורים עם אלקטרון בודד, ייצור תאים סולאריים, ייצור נוריות LED, מקורות פוטון בודדים, מחשוב קוונטי, מחקר ביולוגיה של התא, מיקרוסקופיה והדמיה רפואית.
מה ההבדל בין נקודות פחמן לנקודות קוונטיות?
ההבדל העיקרי בין נקודות פחמן לנקודות קוונטיות הוא שנקודות פחמן הן ננו-חלקיקי פחמן קטנים, בעוד שנקודות קוונטיות הן חלקיקי מוליכים למחצה קטנים. נקודות פחמן משמשות בהדמיה ביולוגית, חישה, אספקת תרופות, קטליזה, אופטרוניקה וכו', בעוד שנקודות קוונטיות משמשות בייצור טרנזיסטורים של אלקטרון בודד, ייצור תאים סולאריים, ייצור נוריות LED, מקורות פוטון בודדים, מחשוב קוונטי, מחקר ביולוגיה של התא, מיקרוסקופיה והדמיה רפואית.
האינפוגרפיקה הבאה מפרטת את ההבדלים בין נקודות פחמן לנקודות קוונטיות בצורת טבלה.
סיכום – נקודות פחמן מול נקודות קוונטיות
נקודות פחמן ונקודות קוונטיות נכנסות לתחום מכניקת הקוונטים. אלו הם חלקיקים קטנים בקנה מידה ננו. ההבדל העיקרי בין נקודות פחמן לנקודות קוונטיות הוא שנקודות פחמן הן ננו-חלקיקי פחמן קטנים, בעוד שנקודות קוונטיות הן חלקיקים מוליכים למחצה קטנים.
