خلاصه فناوری
نقطههای کوانتومی، نانوبلورکهای نیمهرسانا با قطر کمتر از 10 نانومتر هستند. هنگامی که اندازه نانوبلورکهای نیمهرسانا به کمتر از 10 نانومتر میرسد، با شعاع برانگیختگی بوهر (فاصله تعادلی بین الکترون و حفره در حالت برانگیخته در اتم هیدروژن) قابل مقایسه بوده و یا کوچکتر است. در این حالت حرکت حاملهای بار محدود میشود و اثر کوانتومی ظاهر میشود. در نتیجه ویژگیهای الکتریکی و اپتیکی خاصی ظاهر میشود که نه تنها منحصربهفرد بوده بلکه شکل و به اندازه ذرات وابسته است. با توجه به کاربرد گسترده نقطههای کوانتومی در علوم نوین، تکنولوژی ساخت چنین نقطههای کوانتومی، بسترساز تکنولوژیهای دیگر خواهد بود و پنجره جدیدی را در علوم بین رشتهای باز خواهد کرد. با وجود گستردگی کاربردهای نقطههای کوانتومی ولی هنوز یک قطب تولید کننده انواع نقطههای کوانتومی در کشور وجود ندارد. لذا نیاز اساسی کشور به وجود چنین قطبی بر کسی پوشیده نیست.
هدف این طرح ایجاد پلتفرم نقطههای کوانتومی با سایز 1 تا 10 نانومتر و طیف فلورسانس 450 تا 850 نانومتر، برای کاربردهای مختلف صنعتی و تحقیقاتی میباشد. این پلتفرم قادر به حذف 100 درصدی اشعههای مضر خورشید و تولید اشعههای مورد نیاز برای گیاهان (در محدوده طول موجهای 450 تا 650 نانومتر) خواهد بود. از دیگر کاربردهای این نقاط کوانتومی، استفاده از آنها بهعنوان لایههای جاذب نور فرابنفش و ساطعکننده نور مرئی در گلخانهها برای افزایش حدود 30 درصدی بهرهوری است. این محصول سابق بر این در آمریکا در شرکت UbiQD تجاریشده و قابل دسترس است.
ضرورت مسئله
اثر کوانتومی هنگامی رخ میدهد که الکترونها محدود به مقیاس نانومتری باشند که قابل قیاس با شعاع بوهر هستند. با توجه به اینکه اندازه نقطههای کوانتومی کمتر از 10 نانومتر است، اثر کوانتومی ظاهرشده و به همین دلیل حرکت حاملهای بار محدود میشود. در نتیجه ویژگیهای الکتریکی و اپتیکی جدید و منحصربهفرد وابسته به شکل و اندازه نقطههای کوانتومی ظاهر میشود. از جمله این ویژگیها میتوان به امکان تولید چند فوتون، ضریب خاموشی بالا، خواص اپتیکی و الکتریکی وابسته بهاندازه و پایداری زیاد اشاره کرد. کاربردهای نقطههای کوانتومی در علوم مختلف بهخصوص علوم و فناوریهای بینرشتهای بهسرعت در حال گسترش است. لذا توجه به تکنولوژی ساخت و توسعه نقطههای کوانتومی که زیرمجموعه علوم و فناوریهای کوانتومی و از جمله بسترهای علوم بینرشتهای محسوب میشود، میبایست در دستور کار قرار بگیرد تا اقدامات لازم جهت ایجاد یک پلتفرم بهعنوان قطب تولیدکننده انواع نقطههای کوانتومی برای رفع نیازهای اساسی کشور به عمل آید. یکی از کاربردهای این پلتفرم با خاصیت تک طول موجی، استفاده در پلاستیک گلخانهها است. شایانذکر است که این پلتفرم در کشور امریکا در شرکت UbiQD در پلاستیک گلخانه مورد استفاده قرار گرفته و نتایج رضایتبخشی را در تولید مؤثر محصولات کشاورزی نشان داده است. هدف این پروژه، راهاندازی پلتفرم تولید انواع نقطههای کوانتومی و تولید محصول مشابه تولیدشده در شرکت UbiQD و بومیسازی آن است. در حال حاضر این محصول در ایران بهوسیله نقاط کوانتومی تولید نشده است.
مسئله اصلی تحقیق
یکی از مسائل اساسی در تکنولوژیهای بدیع و نوظهور نظیر فناوریهای کوانتومی این است که هنوز بهصورت متمرکز در کشور بومیسازی نشده است. از جمله این فناوریها میتوان به فناوری نقطههای کوانتومی اشاره کرد که کاربردهای گوناگونی در حوزههای مختلف پزشکی، انرژی، کشاورزی، صنعتی، محاسبات کوانتومی و غیره دارد.
نقاط کوانتومی رفتار عجیبی دارند گرچه اندازه آنها بین 1 تا 10 نانومتر است و بین 100 تا 100،000 اتم دارند، اما خواصی از خود نشان میدهند که گویی از یک اتم تشکیل شدهاند. با این حال، خواص آنها با خواص یک فلورسنت مطابقت دارد که به موجب آن میتوانند با جذب انرژی نور، برانگیخته شوند و در هنگام بازگشت به حالت پایه، فوتونهای نور را آزاد کنند. اما طول موج نوری که آنها ساطع میکنند به اندازه نقطههای کوانتومی بستگی دارد. از آنجا که نقطههای کوانتومی کوچکتر به انرژی بیشتری برای تحریک نیاز دارند، متعاقباً طول موجهای کوچکتری از نور را ساطع میکنند.
بومیسازی و ایجاد پلتفرم ساخت نقطههای کوانتومی در کشور از جمله اهداف این پروژه است که میتواند در کاربردهای مختلف پژوهشی و صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. این پلتفرم دایره وسیعی از نقطههای کوانتومی با فلورسانس در محدوده مرئی و فروسرخ نزدیک را در بر میگیرد. این پلتفرم این قابلیت را دارد تا انواع نقطههای کوانتومی در اندازههای مختلف 1 تا 10 نانومتر با خواص اپتیکی منحصربهفرد و سفارشی را تولید کند.
ویژگیهای منحصربهفرد نقطههای کوانتومی خصوصاً ویژگیهای اپتیکی، باعث شده است تا کاربردهای آن در حوزههای مختلف دانش گسترش پیدا کرده و منجر به افزایش دقت و اثربخشی شود. بهعنوان نمونه، میتوان طول موج نور منتشر شده از آن را بهگونهای تنظیم کرد که اگر در پلاستیک گلخانه مورد استفاده قرار بگیرد، برای گیاهان گلخانهای مناسب باشد. در واقع نقطههای کوانتومی از طریق افزایش کیفیت نور خورشیدی که به گیاهان میرسد، رشد آنها را افزایش میدهد. یک پلاستیک گلخانه که حاوی نقطههای کوانتومی است، نور خورشید را در گلخانه بهینه میکند. بهینهسازی نور از طریق تبدیل فوتونهای UV و آبی در طیف نور خورشید به نور نارنجی، قرمز و قرمز تیره که گیاهان برای رشد بیشتر به آنها نیاز دارند، اتفاق میافتد.
پلتفرم نقطههای کوانتومی طوری طراحی میشود که قابلیت تطبیقپذیری داشته و بهطور یکپارچه با هر گونه تنظیمات گلخانهای ادغام میشود. صرفنظر از نوع، اندازه یا طرح، گیاهان میتوانند از مواد پوششدهنده گلخانه پیشرفته برای پوشش داخلی یا خارجی بهرهمند شوند. تحقیقات UbiGro نشان داده است که پرورش دهندگانی که از این پوششها استفاده کردهاند، گیاهان سالمتر و تا 30 درصد افزایش عملکرد محصول را تجربه کردهاند.
ویژگی بارز در پوششهای گلخانهای مطرح شده در این طرح استفاده از نقاط کوانتومی است که خاصیت واقعی ضد یووی را به پلاستیک گلخانه اضافه میکند. پلاستیکهای ضد یووی موجود در بازار، فیالواقع ضد یووی نیستند فقط افزودنیهایی دارند که باعث افزایش استحکام و طول عمر پلاستیک گلخانه میشود. در صورتیکه استفاده از نقاط کوانتومی به همراه افزودنی استحکامی میتواند خاصیت ضد یووی را بهصورت واقعی بهعنوان آپشن جدید اضافه نماید. در ارتباط با پیچیدگی طرح میتوان به این نکته اشاره کرد که نقاط کوانتومی بهصورت همان افزودنی استحکامآور میتواند به پلاستیک گلخانه اضافه شود.
درباره تیم پژوهشی
نام و نام خانوادگی |
رشته/ مقطع تحصیلی |
همکار/مشاور طرح |
وضعیت و محل اشتغال فعلی |
اصغر جمشیدی زوارکی |
دکتری تخصصی نانوفوتونیک |
مجری |
عضو هیاتعلمی/دانشگاه تهران |
رضا کوهزادیان |
نانوفوتونیک |
همکار |
دانشجو کارشناسیارشد/دانشگاه تهران |
پرستو امیری |
نانوفوتونیک |
همکار |
دانشجو کارشناسیارشد/دانشگاه تهران |
کیمیا شهاب |
نانوفوتونیک |
همکار |
دانشجو کارشناسیارشد/دانشگاه تهران |
سوابق عرضهکننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی
دکتر اصغر جمشیدی زوارکی: عضو هیاتعلمی و استادیار گروه ریزفناوری و فوتونیک دانشگاه تهران و معاون علمی دانشکده مهندسی سامانههای هوشمند دانشکدههای علوم و فناوریهای میانرشتهای دانشگاه تهران هستند. ایشان مدرک دکتری خود را در زمینه نانوفوتونیک با عنوان «مهندسی نانوساختارهای چندتایی برای کاربرد در آشکارسازهای نوری، ترانزیستورها و سلولهای خورشیدی هیبریدی» از دانشگاه KTH کشور سوئد دریافت کرده و از سال 1400 بهعنوان هیات علمی در دانشگاه تهران مشغول به فعالیت شده است. در حال حاضر، مجری 3 طرح تحقیقاتی در ارتباط با طراحی و ساخت نقطههای کوانتومی هستند. زمینه پژوهشی تخصصی ایشان نانوفوتونیک بوده و در زمینه دیودهای ساطعکننده نور، فیلترهای نوری و سنسورها/بیوسنسورهای تشخیصی بر پایه تکنولوژی نقطههای کوانتومی فعالیت دارند.
مهندس رضا کوهزادیان: ایشان دانشجوی کارشناسیارشد رشته مهندسی فوتونیک دانشکده سامانههای هوشمند دانشگاه تهران هستند و در زمینه فیلترها و دیودهای ساطعکننده نور بر پایه نقطههای کوانتومی پروسکایتی فعالیت دارند.
مهندس پرستو امیری: دانشجوی کارشناسیارشد رشته مهندسی فوتونیک دانشکده سامانههای هوشمند دانشگاه تهران هستند و در زمینه فیلترها و دیودهای ساطعکننده نور بر پایه نقطههای کوانتومی فعالیت دارند.
آقای مهندس علی قشلاقی: ایشان دانشآموخته کارشناسی دانشگاه تهران در رشته مهندسی برق هستند. به دلیل علاقهمندی به برنامهنویسی Python و علم داده بعد از فارغالتحصیلی در این زمینه مشغول به کار شدهاند و حدود سه سال است که در زمینه برنامهنویسی Python و بکاند سایت مشغول هستند. همچنین سابقه کار در شرکت زرینپلاس بهعنوان توسعهدهنده بکاند را دارند.
مهندس کیمیا سادات شهاب: دانشجوی کارشناسیارشد رشته مهندسی فوتونیک دانشکده سامانههای هوشمند دانشگاه تهران هستند. ایشان در زمینه بیوسنسورهای نوری بر پایه نقطههای کوانتومی دوستدار طبیعت فعالیت دارند.
مزایا
- پلتفرم ساخت انواع نقطههای کوانتومی این امکان را فراهم میکند تا قطب تولید نقطههای کوانتومی برای کاربردهای تحقیقاتی و صنعتی در کشور ایجاد شود.
- پوششهای گلخانه تولیدشده با استفاده از تکنولوژی نقطههای کوانتومی این امکان را ایجاد میکند که نهتنها طول موجهای مضر برای گیاهان حذف شود؛ بلکه طول موجهای موردنیاز متناسب با هر گیاه و برای افزایش رشد آن تأمین شود.
- نقطههای کوانتومی مورد استفاده، قابلت سازگاری با انواع پوششهای گلخانهای را دارد و اثر زیادی بر قیمت تمام شده ندارد.
کاربرد
- کاربرد پلتفرم ساخت نقطههای کوانتومی (پژوهشی و صنعتی):
اپتوالکترونیک، اپتیک کوانتومی، امنیت، نظارت، بیومارکر، سنسور تشخیصی، صفحه نمایش، فیلترهای نوری، شیشه هوشمند، سلول خورشیدی، صنایع روشنایی، پزشکی - تشخیصی - درمانی، صنایع کشاورزی، صنایع ماشینسازی، فرامواد برای کاربرد فیبرهای نوری، نقاط کوانتومی برای کاربرد لنز دوربینهای عکاسی، لیزرهای نقاط کوانتومی برای کاربرد پزشکی، لیزرهای نقاط کوانتومی برای کاربرد تصویربرداری، ترکیب هوش مصنوعی و نقاط کوانتومی برای کاربرد نمایشگرها و عینکهای هوشمند، لیزرهای نقاط کوانتومی، نقاط کوانتومی برای تشخیص انواع بیماریها و پروتئینها و باکتریها و کربوهیدراتها، نقاط کوانتومی برای کاربرد تصویربرداری زیستی، نقاط کوانتومی برای برچسبگذاری امنیتی، تشخیص چهره بیومتریک در ماژولهای سنسور تصویر، تشخیص نوری و عبور نور از طریق پوست بیمار و اندازهگیری میزان جذب و پراکندگی برای تعیین سطوح مولکول هدف در خون بیمار، نقاط کوانتومی برای درمان سلولهای سرطانی و ردیابی سلولهای بدخیم، ساخت سلولهای خورشیدی، دیودهای ساطعکننده نور بر پایه نقطههای کوانتومی برای کاربرد صنایع روشنایی، نمایشگرها، گلخانهها و فتوتراپی.
- کاربرد پوششهای گلخانهای:
گلخانههای کشور
خروجیهای مورد انتظار تحقیق
اهداف و خروجیهای این تحقیق عبارتاند از:
- پلتفرم نقطههای کوانتومی با سایز 1 تا 10 نانومتر دارای طیف فلورسانس 450 تا 850 نانومتر
- حذف 100 درصدی اشعههای مضر خورشید (در محدوده طول موجهای زیر 400 نانومتر) و تولید اشعههای مورد نیاز برای گیاهان (در محدوده طول موجهای 450 تا 650 نانومتر)
- افزایش حدود 30 درصدی بهرهوری محصولات کشاورزی طبق محصول تجاریشده در آمریکا
هزینه و زمان اجرای طرح
- هزینه اجرای طرح حدود 800 میلیون تومان برآورد میشود.
- مدتزمان اجرای طرح حدود 12 ماه برآورد میشود.
تسهیم مالکیت فکری
- مالکیت معنوی: مشارکتکننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سهیم خواهد بود و انتشار مقاله مشترک توسط مجری و مشارکتکننده در ژورنالهای داخلی و خارجی، ارائه مقاله در کنفرانسها و سمینارها با موافقت و اشاره به نام همه دستاندرکاران مجاز خواهد بود.
- مالکیت منافع مادی: سهم مشارکت شرکت/شتابدهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و باتوجهبه سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعهدهنده، سهم مالکیت قابلمذاکره و توافق است).
ارتباط با ما
شماره تماس:
021-88486498
اینستاگرام:
iran.challenges@