Quantum dots technology to revolutionize healthcare and sensing technology: see what’s invisible

Kvanttipisteteknologia mullistaa terveydenhoito- ja tunnistusteknologian: näe näkymätön

Oulun yliopiston Optoelektroniikan ja mittaustekniikan yksikön (OPEM) tutkijat ovat saaneet tutkimustuloksensa julkaistua merkittävässä julkaisussa. Tutkijat ovat keksineet uuden menetelmän äärimmäisen herkkien fotoilmaisinten valmistamiseen. He pystyvät valmistamaan tarkkoja infrapunasensoreita aiempaa laadukkaammin ja edullisemmin.

-Käytännössä tämä tarkoittaa, että pystymme mittaamaan erittäin tarkasti haluttua infrapunasäteilyn spektriä aallonpituus kerrallaan.  Kun kvanttipisteet ovat tasalaatuisesti samankokoisia, niillä voidaan mitata kapea viivamainen spektri. Mitattu aallonpituus määrittyy kvanttipisteen koosta. Vaikkapa kaasuseoksista voidaan poimia yksi tietty aine mittauskohteeksi, kiteyttää OPEM-tutkimusyksikön johtaja professori Tapio Fabritius.

 

Infrapuna-alueella olevaa spektriä käytetään monissa sovelluksissa lähes rajattomasti. Lämpökamerojen avulla esimerkiksi paikannetaan rakennuksista lämpövuotoja ja rakennevikoja, etsitään kadonneita ihmisiä, tutkitaan avaruutta, mitataan valtamerten pintalämpötiloja ilmastotutkimuksen tueksi ja hirmumyrskyjen  syntymisen ennustamiseksi. Ihmisen terveyden tutkimisessa voidaan mitata vaikkapa pintaverenkierron lämpötilavaihteluita kasvoista, jolloin voidaan analysoida tunnetiloja ja stressaantuneisuutta.

-Meidän kehittämämme materiaalirakenteen avulla infrapunamittaus yleistyy ja kun kustannukset laskevat, käyttöä tulee useampiin paikkoihin ja se muuttaa maailmaa ja luo uusia mahdollisuuksia. Lämpökamerasta ja infrapunamittarista voi tulla yhtä yleinen asia kuin nykyään kamerasta. Tavallisten ihmistenkin käytössä ei  enää kuvattaisi ja mitattaisi vain näkyvää aallonpituutta vaan pystyisimme näkemään paljon muutakin. Ikään kuin näkymättömät asiat tulevat näkyviksi, Fabritius vertaa.

 

Tutkimustulosten ytimessä ovat yhteistyössä kanadalaisen Toronton yliopiston tutkijoiden kanssa kehitetyt kolloidiset kvanttipisteet. Ne ovat pikkuruisia hiukkasia, joissa on 15–150 atomia puolijohdetta ja joille kvanttimekaniikan ilmiöt antavat ainutlaatuiset optiset ja sähköiset ominaisuudet. Pisteiden kokoa säätelemällä tutkijat pystyvät hienosäätämään sitä, miten ne reagoivat valon eri aallonpituuksiin kuten infrapunasäteilyyn, mikä on ihmissilmälle näkymätöntä. Kvanttipisteitä voidaan käyttää sekä valoa tuottavina elementteinä että mittaavina sensoreina.

-Kvanttipisteet on tiedetty pitkään. Tasalaatuinen ohut kalvo, joka muodostuu kvanttipisteistä on todella vaativa rakenne valmistaa edullisesti. Materiaalitekniikan ja valmistustekniikan kombinaatio on tässä se innovaatio. Tutkimustulos on siis se, että tällainen rakenne voidaan nyt valmistaa melko helposti ilman kalliita ja monimutkaisia valmistuslaitteistoja. Korkealuokkaiset lämpötila-anturit ovat nykyisin varsin kalliita. Hyvä infrakamera maksaa kymmeniä tuhansia. Uusi materiaali- ja valmistustekniikka johtavat siihen, että korkealuokkaiset infrapunasensorit ovat edullisempia. Luomamme rakenne muuttaa lämpösäteilyn sähköksi, joten samaa kvanttipisteteknologiaa voisi käyttää myös aurinkokennojen tehokkuuden parantamiseen, Fabritius täsmentää.

 

OPEM-yksikön hallitsema mustesuihkutulostustekniikka mahdollistaa optoelektronisten laitteiden luomisen suunnittelemalla toiminnallisia musteita, jotka tulostetaan erilaisille pinnoille, esimerkiksi joustaville alustoille, vaatteille tai ihmisiholle. Mustesuihkutulostus edellyttää, että materiaali on nestemäisessä muodossa. Kun kvanttipisteet laitetaan nestemäiseen liuokseen, ne käyttäytyvät kuin punasolut veressä eli ne vajoavat ja muodostavat ryppäitä. Tällöin kvanttipisterakenteen tulostaminen ei onnistu tai sen laatu on huono. Nyt tutkijoiden kehittämällä kvanttipisteliukosella pystytään  mustesuihkutulostuksella valmistamaan  pisterakenne, jossa sensoreina toimivat pisteet ovat tasaisesti jakautuneena. Kehitetty teknologia on virstanpylväs uudenlaisten alle mikrometrin paksuisten, joustavien ja huokeiden infrapunatunnistuslaitteiden, uuden sukupolven aurinkokennojen ja muiden uudenlaisten fotonijärjestelmien kehittämisessä.

 

Tutkijoiden artikkeli Stable Colloidal Quantum Dot Inks Enable Inkjet-Printed High-Sensitivity Infrared Photodetectors julkaistiin hiljattain American Chemical Society -tiedeyhteisön vaikutusvaltaisessa julkaisussa. ACS Nano on erittäin arvostettu ja tunnustettu julkaisu nanorakenteiden, -teknologian ja -valmistuksen parissa työskentelevien tutkijoiden ja insinöörien keskuudessa.

-On luonnollisesti erittäin palkitsevaa, että kansainvälinen tiedeyhteisö on tunnustanut kovan työmme, mutta samalla tämä selvitys auttaa meitä ymmärtämään, että edessä on vielä pitkä matka ja paljon kehitettävää. Olemme erityisen tyytyväisiä julkaisuun siksi, että se on tulosta yhteistyöstämme Toronton yliopiston huippuluokan asiantuntijoiden kanssa. Yhdistimme heidän asiantuntemuksensa kvanttipisteiden syntetisoinnista ja oman painetun älykkyyden osaamisemme, sanoo projektia johtanut tutkija dosentti Rafal Sliz Oulun yliopistosta.

-Oululaisten insinöörien ja tutkijoiden vahva optoelektroniikan ja painettavan elektroniikan osaaminen on synnyttänyt monia menestyviä yrityksiä. Tutkijoidemme kehittämät uudet optoelektroniset teknologiat, materiaalit ja menetelmät auttavat Oulua ja Suomea pysymään innovaation terävimmässä kärjessä tällä alalla, kertoo Fabritius.

Kuvio esittelee lyhyesti Oulun yliopiston ja Toronton yliopiston tutkijoiden suorittaman tutkimuksen ydinperiaatteen. Kolloidisista kvanttipisteistä koostuva rakenne on mustesuihkutulostettu, mikä luo aktiivisen sensorielementin.

Viimeksi päivitetty: 16.10.2019