۵ ژوئیه ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: روپندرا براهامبات -تصویر مفهومی از نقاط کوانتومی با الکترون‌های داغ.
Just_Super/Getty Images
تصور کنید که فقط با استفاده از یک سوسوی نور خورشید، پیوندهای شیمیایی سرسختی را که زمانی برای تجزیه به انرژی شدید یا مواد شیمیایی سمی نیاز داشتند، بشکنید. این ممکن است تقریباً غیرممکن به نظر برسد، اما شیمیدانان دانشگاه علوم و فناوری هنگ کنگ (HKUST) راهی جالب برای دستیابی به آن پیدا کرده‌اند.
با شارژ فوق‌العاده نقاط کوانتومی، ذرات ریز هزاران برابر کوچکتر از یک دانه شن، آنها ابزاری بسیار کارآمد و با انرژی نور به نام ابر کاهنده نور توسعه داده‌اند. به گفته محققان، این ابزار می‌تواند حوزه سنتز آلی را متحول کند.
تاکنون، نقاط کوانتومی به عنوان فوتوکاتالیست‌ها نویدبخش بوده‌اند، اما در عمل به جایی نرسیده‌اند. پتانسیل کامل آنها در فیزیک پیچیده نهفته بود و دانشمندان برای آزادسازی الکترون‌های داغ کارآمد مورد نیاز برای پیشبرد واکنش‌های شیمیایی چالش‌برانگیز تلاش می‌کردند، اما با این ابرکاهنده نوری، این وضعیت تغییر خواهد کرد.
نقاط کوانتومی QDها نیمه‌رساناهایی در اندازه نانو هستند که می‌توانند نور را جذب کرده و انرژی را به روش‌های قدرتمندی آزاد کنند. محققان مدت‌هاست می‌دانند که نقاط کوانتومی می‌توانند به عنوان فوتوکاتالیست‌ها، موادی که از نور برای سرعت بخشیدن به واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند، عمل کنند.
با این حال، علیرغم سال‌ها تحقیق، آنها از حساس‌کننده‌های نوری مولکول کوچک سنتی بهتر عمل نکردند، زیرا دانشمندان به طور کامل نمی‌دانستند که چگونه ارزشمندترین ویژگی آنها را کنترل یا تقویت کنند: الکترون‌های داغ، الکترون‌های پرسرعتی که می‌توانند به از هم گسیختن پیوندهای شیمیایی قوی در یک مولکول هدف کمک کنند.
در حالی که دانشمندان روش‌هایی را برای تولید این الکترون‌ها از نقاط کوانتومی بررسی کرده‌اند، انجام این کار به طور کارآمد و تحت شرایط آرام و بدون آسیب، همچنان یک چالش بزرگ باقی مانده است. برای غلبه بر این، تیم HKUST یک سیستم فوتوکاتالیستی جدید با استفاده از نقاط کوانتومی CdS/ZnS آلاییده شده با منگنز توسعه داد.
محققان یک اثر کوانتومی ویژه به نام فرآیند تبادل اسپین دو فوتونی Auger را برای تولید الکترون‌های داغ بسیار کارآمدتر از قبل به کار گرفتند. این فرآیند به دو فوتون کم‌انرژی (ذرات نور) اجازه می‌دهد تا انرژی خود را در داخل نقطه کوانتومی ترکیب کنند و یک الکترون داغ فوق العاده پرانرژی تولید کنند.
اساساً، این تیم راهی را برای نقاط کوانتومی ایجاد کرد تا مانند ضرب‌کننده‌های کوچک انرژی عمل کنند، نور مرئی ملایم را جذب کرده و آن را به یک مشت قوی تبدیل کنند که می‌تواند پیوندها را بشکند. نتایج چشمگیر بود.
سیستم توسعه یافته می‌تواند واکنش‌های سختی مانند کاهش Birch را هدایت کند، واکنشی که معمولاً به آمونیاک مایع و فلزات قلیایی نیاز دارد. همچنین می‌تواند طیف گسترده‌ای از پیوندهای شیمیایی، پیوندهای C-Cl، C-Br، C-I، C-O، C-C و حتی N-S را بشکند. حتی چشمگیرتر اینکه، این سیستم می‌تواند مولکول‌هایی با پتانسیل کاهش بسیار منفی تا -۳.۴ ولت را در مقابل SCE (الکترود استاندارد کالومل) که معمولاً برای سیستم‌های نوری بسیار سرسخت در نظر گرفته می‌شوند، مدیریت کند.
همه این کارها با استفاده از تنها یک درصد از انرژی نوری مورد نیاز سیستم‌های معمولی انجام شد. این یک جهش بزرگ در کارایی است. علاوه بر این، این سیستم به محققان اجازه می‌دهد تا واکنش را تنها با تنظیم شدت نور روشن یا خاموش کنند. این ویژگی می‌تواند برای برنامه‌ریزی توالی‌های پیچیده واکنش‌ها در آینده، مانند یک کامپیوتر شیمیایی، مورد استفاده قرار گیرد.
این کشف می‌تواند پیامدهای بزرگی برای نحوه تولید همه چیز از داروها گرفته تا پلاستیک داشته باشد. به عنوان مثال، صنایعی که به سنتز شیمیایی متکی هستند می‌توانند از رویکرد مبتنی بر نور برای کاهش وابستگی خود به مواد شیمیایی خشن، کاهش مصرف انرژی و ایجاد ضایعات کمتر استفاده کنند.
این تحقیق همچنین نشان می‌دهد که چگونه مواد محدود شده کوانتومی، مانند این نقاط کوانتومی سفارشی، می‌توانند انواع جدیدی از شیمی را که قبلاً غیرممکن تصور می‌شدند، آشکار کنند.
دانشمندان خاطرنشان می‌کنند: «این مطالعه پتانسیل بی‌سابقه نیمه‌رساناهای کوانتومی محدود شده را برای تسهیل تبدیلات آلی چالش‌برانگیز که قبلاً با فوتوکاتالیست‌های مولکولی مرسوم غیرقابل دستیابی بودند، برجسته می‌کند.»
با این حال، برخی چالش‌ها همچنان باقی مانده‌اند. به عنوان مثال، این سیستم‌ها هنوز باید در طیف وسیع‌تری از واکنش‌ها و در شرایط صنعتی آزمایش شوند. پایداری بلندمدت و هزینه تولید چنین نقاط کوانتومی تخصصی نیز چیزی است که موفقیت این رویکرد را تعیین می‌کند.
محققان اکنون در حال بررسی راه‌هایی برای اصلاح این سیستم مبتنی بر نور برای هدایت تبدیلات شیمیایی پیچیده‌تر هستند.این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.
