स्मार्ट टेक्सटाइल से लेकर सेल्फ-ड्राइविंग कारों तक: शोधकर्ता इन्फ्रारेड विकिरण के लिए नए प्रकार के डिटेक्टर विकसित कर रहे हैं जो पारंपरिक प्रौद्योगिकियों की तुलना में अधिक टिकाऊ, लचीले और लागत प्रभावी हैं। सफलता की कुंजी (केवल) सामग्री की संरचना नहीं है, बल्कि उसका आकार भी है।
मोशन डिटेक्टर, सेल्फ-ड्राइविंग कार, रासायनिक विश्लेषक और उपग्रहों में क्या समानता है? इन सभी में इन्फ्रारेड (आईआर) प्रकाश के लिए डिटेक्टर होते हैं। उनके मूल में और रीडआउट इलेक्ट्रॉनिक्स के अलावा, ऐसे डिटेक्टर आमतौर पर एक क्रिस्टलीय अर्धचालक सामग्री से बने होते हैं। ऐसी सामग्रियों का निर्माण करना चुनौतीपूर्ण होता है: उन्हें अक्सर अत्यधिक तापमान, और बहुत अधिक ऊर्जा जैसी चरम स्थितियों की आवश्यकता होती है। शोधकर्ता आश्वस्त हैं कि एक आसान तरीका है। नैनोस्केल इंटरफेस प्रयोगशाला में ट्रांसपोर्ट से इवान शोरुबाल्को के नेतृत्व में एक टीम कोलाइडल क्वांटम डॉट्स से बने लघु आईआर डिटेक्टरों पर काम कर रही है।
अधिकांश लोगों के लिए “क्वांटम डॉट्स” शब्द एक आसान अवधारणा की तरह नहीं लगते हैं। शोरुबाल्को बताते हैं: “किसी सामग्री के गुण न केवल उसकी रासायनिक संरचना पर निर्भर करते हैं, बल्कि उसके आयामों पर भी निर्भर करते हैं।” यदि आप किसी निश्चित सामग्री के छोटे कण बनाते हैं, तो उनमें उसी सामग्री के बड़े टुकड़ों की तुलना में भिन्न गुण हो सकते हैं। यह क्वांटम प्रभावों के कारण है, इसलिए इसका नाम “क्वांटम डॉट्स” है।
इन आकर्षक छोटे कणों की खोज और संश्लेषण के लिए, मौंगी बावेंडी, लुईस ई. ब्रूस और एलेक्सी एकिमोव को 2023 में रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। लेकिन जबकि क्वांटम डॉट्स के पीछे का विज्ञान जटिल है, सरलता उनके प्रसंस्करण में निहित है। कोलाइडल क्वांटम डॉट्स एक समाधान में आते हैं और स्पिन कोटिंग या प्रिंटिंग के माध्यम से विभिन्न सामग्रियों पर लागू किए जा सकते हैं – पारंपरिक अर्धचालकों की तुलना में सस्ता, अधिक ऊर्जा-कुशल और अधिक लचीला।
क्वांटम डॉट्स का एम्पा में पहले से ही एक इतिहास है। थिन फिल्म्स और फोटोवोल्टिक्स प्रयोगशाला में मैक्सीम कोवलेंको का अनुसंधान समूह दस वर्षों से अधिक समय से विभिन्न सामग्रियों से क्वांटम डॉट्स के संश्लेषण पर काम कर रहा है। शोरुबाल्को और उनकी टीम ने फिर कार्यशील इलेक्ट्रॉनिक घटकों, तथाकथित उपकरणों – उदाहरण के लिए आईआर डिटेक्टरों का उत्पादन करने के लिए क्वांटम डॉट्स को एकीकृत किया। अन्य एम्पा विशेषज्ञों के साथ, वे क्वांटम डॉट्स और उनसे बने उपकरणों के लिए प्रसंस्करण विधियों और आगे के अनुप्रयोगों पर भी शोध कर रहे हैं।
एक उदाहरण: 2023 में, शोधकर्ता ऑप्टिकल पॉलिमर फाइबर पर क्वांटम डॉट्स से बने आईआर डिटेक्टर को प्रिंट करने में सफल रहे – कुछ ऐसा जो पारंपरिक आईआर डिटेक्टरों के साथ संभव नहीं है। इसे प्राप्त करने के लिए, डिवाइस विशेषज्ञ शोरुबाल्को और उनके डॉक्टरेट उम्मीदवार गोखान कारा ने न केवल सामग्री विशेषज्ञ कोवलेंको के साथ काम किया, बल्कि एम्पा की थिन फिल्म्स और फोटोवोल्टिक्स प्रयोगशाला के मुद्रण विशेषज्ञ यारोस्लाव रोमान्युक और बायोमिमेटिक मेम्ब्रेंस के फाइबर विशेषज्ञ रेने रॉसी के साथ भी काम किया। कपड़ा प्रयोगशाला. शोधकर्ताओं ने 2023 में एडवांस्ड मैटेरियल्स टेक्नोलॉजीज जर्नल में अपने निष्कर्ष प्रकाशित किए।
इस तकनीक का एक संभावित अनुप्रयोग स्मार्ट टेक्सटाइल होगा। शोरुबल्को कहते हैं, “वैश्विक कपड़ा बाजार उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार से बड़ा और तेजी से बढ़ रहा है।” विशेष रूप से विशिष्ट वस्त्र लचीले आईआर डिटेक्टरों से लाभान्वित हो सकते हैं, उदाहरण के लिए अग्निशामकों के लिए कार्यात्मक कपड़े या रोगी की निगरानी के लिए चिकित्सा वस्त्र। हालाँकि, शोरुबाल्को भी फैशन में काफी संभावनाएं देखते हैं: “यदि डिटेक्टर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटक छोटे, सस्ते और निर्माण में आसान हैं, तो हम उनका उपयोग अपने रोजमर्रा के कपड़ों को कार्यात्मक बनाने के लिए कर सकते हैं। वर्तमान प्रौद्योगिकियां वस्त्रों के साथ बिल्कुल भी संगत नहीं हैं।”
चूंकि प्रत्येक डिटेक्टर में केवल पांच नैनोमीटर आकार के कई क्वांटम डॉट्स होते हैं, इसलिए बहुत छोटे आईआर डिटेक्टरों का निर्माण संभव है। एसीएस फोटोनिक्स जर्नल में हाल ही में प्रकाशित एक प्रकाशन में, शोरुबाल्को, कारा और एम्पा तथा ईटीएच ज्यूरिख के उनके साथियों ने एक ऐसे डिटेक्टर का वर्णन किया है जो उसके द्वारा मापे जाने वाले प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से छोटा है। यह शोधकर्ताओं को अवरक्त प्रकाश के अतिरिक्त गुणों, जैसे चरण या हस्तक्षेप, को रिकॉर्ड करने में सक्षम बनाता है, जो डिटेक्टर को और भी अधिक बहुमुखी बनाता है।
इसके बाद, शोरुबाल्को का लक्ष्य डिटेक्टर की गति में सुधार करना है। तेज़ आईआर डिटेक्टरों की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, लिडार के लिए, प्रकाश-आधारित दूरी का पता लगाने वाली तकनीक जो स्व-चालित कारों को अन्य चीजों के अलावा अपना रास्ता खोजने में मदद करती है। शोधकर्ता का कहना है, “आज, लिडार सिलिकॉन-आधारित इन्फ्रारेड डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं, जो लगभग 905 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य के साथ आईआर प्रकाश को मापते हैं।” समस्या: हालाँकि यह तरंग दैर्ध्य मानव आँख के लिए अदृश्य है, फिर भी उच्च शक्ति पर यह हानिकारक है। इस कारण से, लिडार का लेजर केवल कमजोर प्रकाश उत्सर्जित कर सकता है, जो पूरे सिस्टम की सीमा को सीमित करता है। लंबे, सुरक्षित तरंग दैर्ध्य के डिटेक्टर मौजूद हैं, लेकिन बड़े पैमाने पर उपयोग करने के लिए वे बहुत महंगे हैं। क्वांटम डॉट्स पर आधारित एक तेज़ डिटेक्टर एक विकल्प प्रदान कर सकता है और शक्तिशाली, सुरक्षित और लागत प्रभावी लिडार सिस्टम को सक्षम कर सकता है।
तो क्वांटम डॉट-आधारित आईआर डिटेक्टर बाजार में कब आएंगे' अधिकांश नवीन प्रौद्योगिकियों और सामग्रियों के विपरीत, इस मामले में धैर्य की आवश्यकता नहीं है। शोरुबाल्को कहते हैं, “क्वांटम डॉट आईआर डिटेक्टर पहले से ही बाजार में उपलब्ध हैं।” “मैंने कभी किसी तकनीक को प्रयोगशाला से बाज़ार तक इतनी तेज़ी से छलांग लगाते नहीं देखा।” फिर भी, शोधकर्ताओं का काम अभी ख़त्म नहीं हुआ है। उनका काम अब इस आशाजनक तकनीक को और भी तेज़, लागत प्रभावी, अधिक लचीला और अधिक टिकाऊ बनाना है।
