Nową metodę wytwarzania kropek kwantowych tlenku cynku opracował zespół naukowców z Zakładu Katalizy i Chemii Metaloorganicznej Wydziału Chemicznego PW: prof. dr hab. inż. Janusz Lewiński (kierownik zespołu), dr inż. Małgorzata Wolska-Pietkiewicz i mgr inż. Zygmunt Drużyński. Nanokrystaliczne formy tlenku cynku wykazują ogromny potencjał aplikacyjny w technologiach optoelektronicznych i fotowoltaicznych.
Nanokrystaliczny tlenek cynku (ZnO), a zwłaszcza zerowymiarowe kropki kwantowe (QDs), są szeroko stosowane w diodach elektroluminescencyjnych i ogniwach fotowoltaicznych jako warstwa transportująca elektrony. Mogą być wykorzystywane w medycynie i nanodiagnostyce, a także jako luminescencyjny pigment do farb i lakierów. Wciąż jednak dużym ograniczeniem w rozwoju tych technologii jest brak dostatecznie wysokiej jakości kropek kwantowych tlenku cynku.
– Jesteśmy w stanie wytworzyć wysokiej jakości nanocząstki tlenku cynku o niespotykanych jak dotąd cechach – mówi nasz doktorant. – Głównym założeniem opracowanej przez nas procedury jest wykorzystanie mieszaniny związków cynkoorganicznych i ligandów organicznych o charakterze jonów obojnaczych (zwitterjonów). Cały proces wytwarzania kropek kwantowych jest kontrolowany termodynamicznie, co wpływa na formowanie niemal identycznych nanostruktur tlenku cynku – dodaje mgr inż. Zygmunt Drużyński.
Wynalazek został już wykorzystany, we współpracy z grupą prof. Michaela Graetzela z Politechniki w Lozannie, jako komponent przy tworzeniu ogniw perowskitowych. Perowskit to naturalnie występujący minerał, który doskonale pochłania światło, a po obróbce laboratoryjnej dodatkowo nabiera zdolności do przewodzenia prądu.
Nanokrystaliczny tlenek cynku odgrywa rolę warstwy transportującej elektrony i styka się z warstwą perowskitową. Dzięki temu, że kropki kwantowe tlenku cynku mają niemal idealnie uformowaną powierzchnię stabilizowaną przez regularnie ułożone ligandy, całe ogniwo jest znacznie stabilniejsze i efektywniejsze.
– Ogniwo perowskitowe z warstwą złożoną z „naszych” nanocząstek tlenku cynku wykazało sprawność konwersji energii przekraczającą 22%, co jest obecnie rekordem uzyskanym dla ogniw z tlenku cynku jako warstwy transportującej elektrony. Ma to ogromne znaczenie nie tylko dla rozwoju chemii nanomateriałów, ale również dla badań aplikacyjnych dotyczących konwersji energii – podkreśla prof. Janusz Lewiński.
Wstępne prace pokazują również, że ze względu na swoją niską toksyczność nanocząstki tlenku cynku otrzymywane tą nowatorską metodą z powodzeniem mogą służyć również jako markery lub nośniki leków antynowotworowych, a także jako element sensorów biochemicznych.
– Ponadto nanomateriał charakteryzuje się jasną, żółtą luminescencją, zarówno w ciele stałym, jak i w postaci stabilnego roztworu koloidalnego w organicznych rozpuszczalnikach niepolarnych oraz polarnych takich jak alkohole. Dzięki tym właściwościom można go wykorzystać w przemyśle chemicznym jako pigment do farb i lakierów lub składnik drukowanych zabezpieczeń optycznych – wyliczają dr inż. Małgorzata Wolska-Pietkiewicz wraz z dr inż. Marią Jędrzejewską.
Wynalazek został zgłoszony do ochrony patentowej. Aby metoda mogła być szerzej wykorzystywana, potrzebne są dalsze badania dotyczące możliwości skalowania i finansowanie rozwoju opracowanej technologii.
Źródło: Politechnika Warszawska