(Phys.org) — Buiten zijn carrière als bekend nanochemicus, Paul Alivisatos, directeur van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), is een fervent fotograaf. Om zijn foto's te laten zien, zijn favoriete apparaat is een Kindle Fire HDX-tablet omdat "het kleurenscherm een ​​stuk beter is dan bij andere tablets, " hij zegt.

Wat hij de kijker misschien niet vertelt, is dat hij niet alleen de foto nam, hij hielp ook bij het uitvinden van de nanotechnologie waardoor de kijker die schitterende groenen kan zien, rijke rode tinten, en gewaagde blues, en dat alles terwijl ze aanzienlijk minder energie verbruiken. In feite, het Kindle-display maakt gebruik van een technologie die is vervaardigd door Nanosys, een startup die Alivisatos in 2001 mede-oprichtte om kwantumdots te commercialiseren.

"Quantum dots bieden een zeer hoge kleurzuiverheid en kunnen een kleurendisplay maken met een breder kleurengamma, dus het is een lust voor het oog, " zei Alivisatos. "Ze zijn ook erg energiezuinig."

Het was in zijn lab bijna 20 jaar geleden dat, samen met medewerker Shimon Weiss, Alivisatos synthetiseerde bolvormige nanokristallen gemaakt van een kern van cadmiumselenide in een omhulsel van cadmiumsulfide. Het opmerkelijke aan deze kwantumstippen was dat ze extreem zuiver licht van bijna elke kleur konden uitstralen, afhankelijk van hun grootte.

Vanaf dat moment, De quantum dots van Berkeley Lab hebben niet alleen hun weg gevonden naar tablets, computerschermen, en tv's, ze worden ook gebruikt in biologische en medische beeldvormingstools, en nu onderzoekt het laboratorium van Alivisatos ze voor zowel zonnecel- als hersenbeeldvormingstoepassingen.

Omdat de grootte van kwantumstippen gemakkelijk kan worden "afgestemd" - stippen van verschillende grootte zenden verschillende kleuren uit - het domein van mogelijke toepassingen is enorm. "Er zijn vele duizenden academische onderzoeksgroepen over de hele wereld die regelmatig kwantumstippen gebruiken, ' zei Alivisatos.

Nanosys, gevestigd in Milpitas, Californië, heeft ongeveer 100 mensen in dienst en produceert jaarlijks 25 ton kwantumdots, genoeg voor 10 miljoen tv's. Quantum dots zijn anorganische nanokristallen gemaakt van halfgeleiders en vormen een nieuwe klasse materialen. "Hun unieke eigenschap is dat hun emissielijnbreedte erg smal is, in de orde van 30 nanometer, "Zei Nanosys-hoofdwetenschapper Jian Chen. "Het maakt ze heel puur van kleur. Het zijn in wezen de zuiverste kleurenfosforen die er zijn."

De displays in de meeste elektronica die tegenwoordig op de markt zijn, maken gebruik van LCD-schermen (liquid crystal display). waarbij meestal een wit licht door een reeks filters schijnt om het spectrum van kleuren te produceren. Dit resulteert in verspilde energie. De quantum dots van Nanosys zijn ontworpen om de kleur- en energieprestaties van LCD-schermen te verbeteren.

Het blijkt dat de kern-schilstructuur van de kwantumdots die in het laboratorium van Alivsatos zijn gesynthetiseerd, een belangrijke doorbraak was voor het bereiken van een hoge lichtconversie-efficiëntie. "Door de kern-schaalstructuur te gebruiken, de efficiëntie van de fotonconversie kan zo goed zijn als, of dichtbij, 100 procent, " zei Chen. "Wat dat betekent is, als 100 fotonen een kwantumpunt raken, bijna 100 fotonen kunnen worden uitgezonden door de kwantumstip."

Nanosys zegt dat zijn technologie beeldschermen 20 procent energiezuiniger maakt, wat een langere levensduur van de batterij voor het apparaat betekent. "Twintig procent klinkt niet als een enorm bedrag, maar als je bedenkt dat het scherm de helft van het vermogen van een tablet of apparaat verbruikt, het is eigenlijk een grote verbetering, ", zei Nanosys-woordvoerder Jeff Yurek.

Op een bepaald punt in de toekomst, Yurek zegt dat Nanosys een verlichtingstoepassing kan ontwikkelen voor zijn kwantumdots. "Quantum dots zijn 's werelds meest efficiënte lichtzender - ze zijn bijna 100 procent efficiënt, " zei hij. "Er zijn interessante dingen die je kunt doen op het gebied van algemene verlichting. We zouden een LED-lamp efficiënter kunnen maken met de kleurkwaliteit van een gloeilamp. Dat is iets verderop voor ons."

Alivisatos' andere kwantumdotbedrijf - Quantum Dot Corp., die hij in 1998 mede oprichtte om het gebruik van kwantumdots voor de luminescente labeling van biologische weefsels te commercialiseren - is sindsdien verworven, en die technologie is nu te vinden in biologische en medische beeldvormingstools gemaakt door Thermo Fisher Scientific.

In de tussentijd, hij blijft werken aan kwantumdots voor andere toepassingen. Een van de belangrijkste gebieden is hersenonderzoek, het onderwerp van een groot wetenschappelijk initiatief aangekondigd door president Obama in 2013, Hersenonderzoek door het bevorderen van innovatieve neurotechnologieën (BRAIN).

"Voor hersenactiviteit, kwantumstippen zoals we ze kennen zijn niet zo waarschijnlijk nuttig voor het meten van membraanpotentiaal in neuronen en dat soort dingen, maar er zijn veel ideeën om nieuwe generaties kwantumstippen te maken die gevoelig zijn voor neurotransmitters, dus er kan potentieel zijn voor neuroimaging, "zei hij. "Het is een heel vroeg stadium, maar we werken zeker aan dat soort dingen."

Een andere mogelijke toepassing is voor zonnecellen, dat was de oorspronkelijke focus van Nanosys toen het werd gelanceerd. "Een tijdje was ik ontmoedigd over de toepassingen van zonne-energie, " zei Alivisatos. "Meer recentelijk, we hebben als onderdeel van dit (Dept. of Energy) Energy Frontier Research Center gewerkt met groepen van Caltech en de University of Illinois [het Light-Material Interactions in Energy Conversion Center onder leiding van het California Institute of Technology]. We hebben ideeën voor luminescentieconcentratoren, waar quantum dots zeer belangrijke voordelen kunnen hebben voor zonne-energie. Dus we hebben een nieuw idee. Het is nog niet bewezen in het lab, maar het vroege werk is veelbelovend."