Technologie im Detail: Der Ursprung der Quantum Dots

Quantum Dots kommen nicht nur in Samsung Monitoren und TV-Displays zum Einsatz – sie sind unter anderem auch für Falschgelderkennung und Medizin von großer Bedeutung. Die Nanopartikel, die bis zu 10.000 Mal kleiner sind als ein menschliches Haar, zeichnen sich besonders durch ihre Effizienz und Langlebigkeit aus. Und obwohl Quantum Dots erst seit einigen Jahren in technologischen Produkten eingesetzt werden, reicht ihre Geschichte bis ins Mittelalter zurück.

Seit 2015 setzt Samsung in SUHD TVs auf die innovativen Quantum Dots, denn sie sind wie für Fernseher gemacht: Die anorganischen Partikel können in einer Vielzahl von Displaygrößen eingebaut werden und sorgen für eine lange Haltbarkeit der Displays, da sie in ihrer Strahlkraft kaum verblassen. Fernseher mit Quantum Dots sind aufgrund der photoaktiven Eigenschaften energiesparend und stellen Farben gefühlt lebensecht dar. Welche spezifischen Farben Quantum Dots ausstrahlen, wird in erster Linie von der Größe ihres Kerns bestimmt. Daher benötigt man im Display zur Farbdarstellung nur unterschiedlich große Dots, andere Materialen sind nicht notwendig. Auch der Bildschirmtechnologie HDR geben Quantum Dots zusätzlichen Antrieb, da besonders helle Bereiche unglaublich differenziert dargestellt werden können. Schaut man sich die Entwicklung der Quantum Dots an, diente eine Erfindung vor mehr als 500 Jahren als Inspiration für die leuchtstarken Teilchen.

Größenvergleich – Ein einzelner Quantum Dot ist bis zu 10.000 Mal schmaler als ein menschliches Haar.

Wurzeln bis ins europäische Mittelalter

Die Idee für die Leuchtpartikel geht bis ins 15./16. Jahrhundert zurück. Zahlreiche Kirchen und Kathedralen wurden mit sogenannten Bleiglasfenstern verziert. Glasmacher stellten die verzierten Fenster mit einer für damalige Verhältnisse ungewöhnlichen Technik her. Beim Erhitzen des Glases wurde Metallpulver hinzugegeben. Der Effekt: Die Fenster konnten die Farbe des Sonnenlichts besser absorbieren und „färbten“ das Licht, welches von außen in die Gotteshäuser fiel. Wieso die Partikel das Licht veränderten und welche wissenschaftliche Erklärung dahintersteckt, konnte jedoch erst 1970, über 500 Jahre später, im Detail nachvollzogen werden.

Die eigentliche Forschung an flexiblen Nanopartikeln begann in den 1970er Jahren, zu Zeiten der globalen Ölkrise. Die Erforschung alternativer Energiequellen – wie zum Beispiel Solarzellen – rückten vermehrt in den Fokus der Wissenschaftler. Zu Beginn der 1980er Jahre folgte die erste bahnbrechende Entdeckung der heutigen Quantum Dots: Dr. Louis Brus und Dr. Alexei Ekimov entdeckten eher zufällig Halbleiter-Partikel, die verschiedene Farben produzieren konnten. Ihr eigentliches Ziel war die Erforschung kleinerer Transistorstrukturen. Umso erfreuter waren sie, dass später zahlreiche Innovationen aus ihrer Zufallsentdeckung hervorgingen.

Kleine Helfer mit großer Wirkung – auch in anderen Bereichen

Das Potenzial, das in den kleinen anorganischen Nanokristallen steckt, wird auch durch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Technologie offensichtlich. Neben Displays und Monitoren können Quantum Dots in Taschenlampen und anderen Leuchten eingesetzt werden, da sie weißes Licht wärmer und natürlicher abgeben als viele der bislang genutzten Lichtquellen. Doch nicht nur das, auch in Sicherheitstechnologien werden Quantum Dots eingesetzt. So kommen sie jetzt schon in Geräten zur Falschgelderkennung zum Einsatz. Doch vor allem in zwei Bereichen versprechen Quantum Dots einen immensen Fortschritt: In der Solartechnik und im medizinischen Bereich. Quantum Dots absorbieren deutlich mehr Licht als viele andere Materialien, können zudem andere Spektren des Lichts absorbieren und sind durch ihre flüssige Konsistenz flexibler einsetzbar als viele andere Materialen, die in Solarzellen Verwendung finden, wie beispielsweise Silizium. In der Medizin wird daran geforscht, die anorganischen Quantum Dots als Kontrastmittel in den menschlichen Körper zu geben, um zum Beispiel Krankheiten wie Krebs besser entdecken zu können. Dabei sollen winzige Halbleiter-Kristalle gezielt Tumorzellen im Körper aufspüren, in sie eindringen und sie im Laserlicht zum Leuchten bringen. Dadurch ließen sich Erkrankungen weitaus früher erkennen und besser behandeln als bisher. Erste Tests zeigen: Das Verfahren scheint bei allen soliden Tumoren zu funktionieren und kaum Nebenwirkungen zu verursachen.

Samsung produziert nur noch umweltfreundliche Quantum Dots

Samsung hat das Zukunftspotenzial der Quantum Dots früh erkannt und zeitig Ressourcen in die Forschung und Entwicklung der Technologie gesteckt. Schon Anfang der 2000er Jahre begann die Produktion von Quantum Dots in den Laboren von Samsung. Damals allerdings enthielten sie noch das ab gewissen Mengen umweltschädigende Element Cadmium. Um dieses zu vermeiden suchte man nach alternativen Baustoffen. Über 150 Patente reichten die Forscher seitdem für die Quantum Dot-Technologie ein und trieben die Entwicklung rund um cadmium-freie Quantum Dots bei Samsung voran. 2015 stellte Samsung schließlich als erster TV-Hersteller weltweit SUHD TVs mit langlebigen cadmium-freien Displays vor.

Zur diesjährigen IFA in Berlin zeigte Samsung in einer Ausstellung die Geschichte der Quantum Dots auf und erklärte zahlreiche Vorteile der Technologie, wie in diesem Video zu sehen ist:

Trotz der beeindruckenden Leistung, die Quantum Dots schon heute vorweisen können, ist noch viel mehr möglich, denn Experten und Wissenschaftler sind sich einig: Quantum Dots werden nicht nur im Bereich der Displays die Kerntechnologie der kommenden Jahre sein. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ist in naher Zukunft mit weiteren Fortschritten in Hinblick auf die kleinen Nanohelfer zu rechnen.