(Phys.org) – Utanför hans karriär som en känd nanokemist, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) regissör Paul Alivisatos är en ivrig fotograf. För att visa upp sina bilder, hans föredragna enhet är en Kindle Fire HDX-surfplatta eftersom "färgskärmen är mycket bättre än andra surfplattor, " han säger.

Vad han kanske försummar att nämna för tittaren är att han inte bara tog fotografiet, han hjälpte också till med att uppfinna nanotekniken som gjorde det möjligt för tittaren att se dessa lysande gröna, rika röda, och djärv blues, allt samtidigt som du använder betydligt mindre energi. Faktiskt, Kindle-skärmen använder en teknik tillverkad av Nanosys, ett startup Alivisatos som grundades 2001 för att kommersialisera kvantprickar.

"Quantum dots erbjuder mycket hög färgrenhet och kan göra en färgskärm som har ett bredare färgomfång, så det är väldigt tilltalande för ögat, " sade Alivisatos. "De är också mycket energieffektiva."

Det var i hans labb för nästan 20 år sedan som tillsammans med samarbetspartnern Shimon Weiss, Alivisatos syntetiserade sfäriska nanokristaller gjorda av en kärna av kadmiumselenid inuti ett skal av kadmiumsulfid. Det anmärkningsvärda med dessa kvantprickar var att de kunde avge extremt rent ljus av nästan vilken färg som helst, beroende på deras storlek.

Sedan dess, Berkeley Labs kvantprickar har inte bara hittat sin väg till tabletter, datorskärmar, och TV-apparater, de används också i biologiska och medicinska bildverktyg, och nu utforskar Alivisatos labb dem för solcells- och hjärnavbildningstillämpningar.

Eftersom storleken på kvantprickar lätt kan "justeras" – punkter av olika storlek avger olika färger – är området för möjliga tillämpningar enormt. "Det finns många tusen akademiska forskargrupper runt om i världen som regelbundet använder kvantprickar, sa Alivisatos.

Nanosys, baserad i Milpitas, Kalifornien, sysselsätter cirka 100 personer och producerar 25 ton kvantprickar varje år, tillräckligt för 10 miljoner TV-apparater. Quantum dots är oorganiska nanokristaller gjorda av halvledare och utgör en ny klass av material. "Deras unika egenskap är att deras emissionslinjebredd är mycket smal, i storleksordningen 30 nanometer, ”, sade Nanosys blyscientist Jian Chen. ”Det gör dem mycket rena i färg. De är i princip de renaste färgfosforerna som finns."

Skärmarna i de flesta elektronik på marknaden idag använder LCD-skärmar (liquid crystal display), som vanligtvis innebär att ett vitt ljus lyser genom en serie filter för att producera färgspektrumet. Detta resulterar i slöseri med energi. Nanosys kvantprickar är designade för att förbättra färg- och energiprestandan hos LCD-skärmar.

Det visar sig att kärnan-skalstrukturen hos kvantprickarna som syntetiserats i Alivsatos labb var ett nyckelgenombrott för att uppnå hög ljusomvandlingseffektivitet. "Genom att använda kärn-skal-strukturen, fotonkonverteringseffektiviteten kan vara så bra som, eller nära, 100 procent, " sa Chen. "Vad det betyder är, om 100 fotoner träffar en kvantpunkt, nästan 100 fotoner kan sändas ut av kvantpunkten."

Nanosys säger att dess teknik gör bildskärmar 20 procent mer energieffektiva, vilket innebär längre batteritid för enheten. "Tjugo procent låter inte som en stor summa, men när du tänker på att skärmen använder hälften av kraften från en surfplatta eller enhet, det är faktiskt en stor förbättring, " sa Nanosys talesman Jeff Yurek.

Någon gång i framtiden, Yurek säger att Nanosys kan utveckla en belysningsapplikation för sina kvantprickar. "Kvantprickar är världens mest effektiva ljussändare - de är nästan 100 procent effektiva, ", sa han. "Det finns intressanta saker du kan göra när det gäller allmänbelysning. Vi skulle kunna göra en LED-glödlampa mer effektiv samtidigt som vi har samma färgkvalitet som en glödlampa. Det är något längre fram för oss."

Alivisatos andra quantum dot-företag — Quantum Dot Corp., som han var med och grundade 1998 för att kommersialisera användningen av kvantprickar för självlysande märkning av biologiska vävnader - har sedan dess förvärvats, och den tekniken finns nu i biologiska och medicinska avbildningsverktyg tillverkade av Thermo Fisher Scientific.

Under tiden, han fortsätter att arbeta med kvantprickar för andra applikationer. Ett av huvudområdena är hjärnforskning, ämnet för ett stort vetenskapligt initiativ som tillkännagavs av president Obama 2013, Hjärnforskning genom Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN).

"För hjärnaktivitet, kvantprickar som vi känner dem är inte lika sannolikt att vara användbara för att mäta membranpotential i neuroner och sådant, men det finns många idéer för hur man gör nya generationer av kvantprickar som skulle vara känsliga för signalsubstanser, så det kan finnas potential för neuroimaging, " sa han. "Det är väldigt tidigt, men vi jobbar verkligen på sådana saker."

En annan möjlig tillämpning är för solceller, som var Nanosys ursprungliga fokus när den lanserades. "En liten stund var jag avskräckt av solenergitillämpningar, ", sa Alivisatos. "Men nyligen, vi har arbetat som en del av detta (Dept. of Energy) Energy Frontier Research Center med grupper vid Caltech och University of Illinois [Light-Material Interactions in Energy Conversion Center ledd av California Institute of Technology]. Vi har idéer för luminescenskoncentratorer, där kvantprickar kan ha mycket betydande fördelar för solenergi. Så vi har en ny idé. Det är ännu inte bevisat i labbet, men det tidiga arbetet är lovande."