Η γενική αντίληψη είναι πως όλες οι επιστήμες και τεχνολογίες αναπτύσσονται με φρενήρη ρυθμό τα τελευταία εξήντα χρόνια. Αν όμως ρωτήσετε τους ιστορικούς των επιστημών – που καταμετρούν αυτόν τον ρυθμό – θα σας πουν ότι από τη δεκαετία του ’80 ως το τέλος του αιώνα κυριάρχησε η πληροφορική, ενώ από την έναρξη του νέου αιώνα τα πρωτεία έχει πάρει η νανοτεχνολογία. Και, πράγματι, από τον ορυμαγδό επιστημονικών ειδήσεων που καταφθάνουν καθημερινά ένα συντριπτικά μεγάλο ποσοστό καταλαμβάνουν εφαρμογές επιτευγμάτων στον αδιόρατο κόσμο του δισεκατομμυριοστού του μέτρου (νανόμετρο).
Πολλές οι νανοεκπλήξεις, λοιπόν, για να διαλέξει κανείς. Αλλά υπήρξε μία στα μέσα Μαΐου που κυριολεκτικά έλαμψε: μια εξέλιξη θαυμαστή, που υπόσχεται να δώσει το φως σε εκατομμύρια ανθρώπους με απώλεια όρασης! Πώς; Με… νανοφωτοβολταϊκά.

Μάτια φωτογραφικής μηχανής
Σύμφωνα με το διεθνές Ιδρυμα Καταπολέμησης της Τυφλότητας (FFB), δύο εκφυλιστικές παθήσεις του οφθαλμού – η εκφύλιση της ωχράς κηλίδος (macular degeneration, αγγλιστί) και η μελαγχρωστική αμφιβληστροειδοπάθεια (retinitis pigmentosa) – ευθύνονται για την προοδευτική τύφλωση περίπου 15 εκατομμυρίων ανθρώπων στον πλανήτη. Πρόκειται για την υπέρτατη δυστυχία σε όποιον έχει γεννηθεί με την ευτυχία απόλαυσης του φωτός, αλλά είναι αγιάτρευτη; Η τύφλωση από τις ασθένειες αυτές οφείλεται στο ότι καταστρέφονται τα κύτταρα-φωτοδέκτες του αμφιβληστροειδούς, όχι όμως και οι νευρώνες του που μεταδίδουν τα σήματα στον εγκέφαλο. Είναι σαν να έχει καεί το φιλμ, ή να έχουν χαλάσει τα εικονοστοιχεία στο οπτοηλεκτρονικό τσιπάκι (pixels του CCD) στην ψηφιακή φωτογραφική μας μηχανή, ενώ ο υπόλοιπος μηχανισμός παραμένει λειτουργικός. Υπάρχει «ανταλλακτικό»;
Η απάντηση ήρθε στις 13 Μαΐου 2012, από εργασία που δημοσίευσαν ερευνητές της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Stanford της Καλιφόρνιας, στο περιοδικό Nature Photonics (www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2012.104.html). Οπως εξήγησε ο επικεφαλής της ομάδας, αναπληρωτής καθηγητής Οφθαλμολογίας, Daniel Palanker, «οι φωτοδέκτες λειτουργούν όπως τα φωτοβολταϊκά στη στέγη που μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρικό ρεύμα». Σκέφθηκαν λοιπόν να βάλουν στη θέση των βιολογικών φωτοδεκτών μικροσκοπικά φωτοβολταϊκά – φωτοδιόδους. Επειδή όμως οι ασθενείς ωχράς κηλίδος έχουν ακόμη φωτοδέκτες ενεργούς, αν οι προς εμφύτευση φωτοδίοδοι λειτουργούσαν με κανονικό φως θα «έλουζαν» τον αμφιβληστροειδή με επώδυνα λαμπερό φως. Κατέληξαν στη λύση να χρησιμοποιήσουν το σχεδόν υπέρυθρο φάσμα του φωτός, που έχει μακρύτερο μήκος κύματος από το κανονικά ορατό φως. Και, προκειμένου κάθε τέτοια φωτοδίοδος-εικονοστοιχείο να συλλαμβάνει το παραμικρό φωτόνιο υπέρυθρου φωτός, τις κατασκεύασαν με διάμετρο μόλις 70 μικρόμετρα – δηλαδή, το ένα τρίτο της διαμέτρου ανθρώπινης τρίχας. Με μια μικρή χειρουργική τομή στον οφθαλμό του ασθενούς, το πλακίδιο με τα φωτοδιοδικά τριχίδια θα μπορεί να εμφυτεύεται στο πίσω μέρος του οφθαλμού, να μετατρέπει το φως σε ηλεκτρικά σήματα, να διεγείρει τους νευρώνες και αυτοί τα γαγγλιοκύτταρα της εξωτερικής στιβάδας του αμφιβληστροειδούς και, τελικά, να αναπληρώνει τη χαμένη όραση.

Μικροατέλειες, νανοτελειότητα
Το όλο σύστημα που έφτιαξαν στο Stanford περιλαμβάνει ένα ζευγάρι γυαλιά με ενσωματωμένη μικροσκοπική βιντεοκάμερα, η οποία στέλνει ασύρματα στο εμφύτευμα μια δέσμη ακτίνων υπέρυθρου φωτός χαμηλής έντασης. Τα κλινικά τεστ που απέδειξαν ότι το σύστημα λειτουργεί έγιναν σε αμφιβληστροειδείς νεκρών ποντικών. Ενώ όμως τα παραγόμενα ηλεκτρικά σήματα κατέγραφαν επιτυχώς τα σχήματα, τα χρώματα παρέμεναν αναξιόπιστα: εμφανίζονται με περιοχές τυχαίας έντασης, όπως περίπου συμβαίνει όταν τρίβουμε τα μάτια μας. Οπως δήλωσαν οι ερευνητές, «τα φωτοβολταϊκά εμφυτεύματα που θα μας δίνουν πραγματικά έγχρωμη όραση είναι ακόμη μακριά». Ετσι, ασχολούνται για την ώρα με πειράματα σε ζωντανά ποντίκια και ψάχνουν να δουν το πώς θα μπορέσουν να κάνουν τα τριχίδια ακόμη λεπτότερα, ώστε να βελτιώσουν την ανάλυση των εικόνων. Στο επόμενο στάδιο θα περάσουν στις κλινικές δοκιμές σε ανθρώπους.
Αναμφίβολα, η εξέλιξη αυτή είναι θεαματικά καλύτερη από τα προηγούμενα «βιονικά μάτια» που είχαν αναπτυχθεί πρόσφατα – από εταιρείες όπως η αμερικανική Second Sight και η γερμανική Retina Implant AG – και τα οποία ήταν ενσύρματα και φτωχά σε ανάλυση. Ομως, μια «ελληνική» ανακάλυψη (βλ. ένθετο «Φωτοβολταϊκή βαφή με γραφένιο») ίσως κάνει την τελειότητα όρασης σύντομα εφικτή.

ΤΑ ΣΑΝΤΟΥΪΤΣ ΜΕ ΤΙΣ ΤΕΛΕΙΕΣ
Φωτοβολταϊκή βαφή με γραφένιο

Προσθέτοντας κβαντικούς νανοκρυστάλλους (μπλε τελείες) στο γραφένιο, ο Γεράσιμος Κωνσταντάτος ανοίγει τον δρόμο για τέλεια τεχνητή όραση και φωτονικούς υπολογιστές.


Στις 6 Μαΐου 2012, στην επιθεώρηση Nature Nanotech (www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2012.60.html), δημοσιεύθηκε μια μελέτη με ελληνική υπογραφή που ενδέχεται να φέρει επανάσταση στις φωτοβολταϊκές μας δυνατότητες.

Πρόκειται κατ’ ουσίαν για τη μετεξέλιξη της «φωτοβολταϊκής βαφής» που είχε αναπτύξει το 2006 ως μεταδιδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Ontario o Γεράσιμος Κωνσταντάτος. Όπως γράφαμε στο σχετικό τότε άρθρο μας (βλ. www.tovima.gr/science/article/?aid=175747), ήταν μια βαφή από ημιαγωγούς νανοκρυστάλλους, που καλούνται «κβαντικές τελείες» (quantum dots) και κατορθώνουν να εκμεταλλεύονται ως και το 30% της ηλιακής ενέργειας. Τώρα, ως κύριος ερευνητής στο Institut de Ciencies Fotoniques της Βαρκελώνης, ο Γεράσιμος Κωνσταντάτος έφερε στο φωτοβολταϊκό οπλοστάσιο τον «δαίμονα» της νανοτεχνολογίας: το γραφένιο! Οπως έχουμε γράψει επανειλημμένα την τελευταία πενταετία, το γραφένιο είναι η «μαγική» μονοατομική επιφάνεια άνθρακα που συγκεντρώνει τις πιο απίστευτες ιδιότητες. Είναι ταυτόχρονα το ελαφρύτερο και το σκληρότερο υλικό (40 φορές ανθεκτικότερο από το ατσάλι), αλλά έχει ηλεκτρική αγωγιμότητα 1.000 φορές καλύτερη του πυριτίου. Οι φωτοδίοδοι που προαναφέραμε είναι κατασκευασμένες από ένα κυκλωματάκι πυριτίου, στο οποίο το προσπίπτον φως εστιάζεται μέσω ενός μικροσκοπικού φακού.

Τα φωτόνια που χτυπούν στο κύκλωμα απελευθερώνουν ηλεκτρόνια και αυτά με τη σειρά τους παράγουν το αναγκαίο σήμα για τον εγκέφαλο. Αλλά οι φωτοδίοδοι από πυρίτιο έχουν τρία μειονεκτήματα: είναι άκαμπτες, ακριβές και όχι ιδιαίτερα ευαίσθητες – απορροφούν μόνο ως το 20% του φωτός που δέχονται. Απεναντίας, το γραφένιο είναι εύκαμπτο «μέχρις αηδίας», αλλά και ακόμη περισσότερο «αναίσθητο»: μόλις το 2,7% του προσπίπτοντος σε αυτό φωτός συλλαμβάνεται. Ε, λοιπόν, το μέγα επίτευγμα του έλληνα ερευνητή και των συνεργατών του είναι ότι κατάφεραν να αυξήσουν τη φωτοευαισθησία του γραφενίου στο 50%!

Πώς «είδε» το γραφένιο
Το κατόρθωσαν ψεκάζοντας την επιφάνεια του γραφενίου με «κβαντικές τελείες», δηλαδή με κρυστάλλους θειούχου μολύβδου διαμέτρου τριών ως δέκα νανομέτρων. Λόγω ακριβώς των κβαντικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις κουκκίδες, το φως που προσπίπτει επιμερίζεται ανάλογα με τη διάσταση της κβαντικής τελείας: όσο μικρότερη είναι τόσο απορροφάται περισσότερο το μπλε φάσμα του φωτός, ενώ όσο μεγαλύτερη τόσο ευνοείται το κόκκινο. Αυτό επιτρέπει την αξιοποίηση κάθε μήκους κύματος, από το σχεδόν υπέρυθρο που χρειάζεται το «βιονικό μάτι» ως το καθαρά υπέρυθρο που χρειάζονται οι τηλεπικοινωνίες. Κλειδί στην επιτυχία αυτού του σάντουιτς γραφενίου-κβαντικών τελειών είναι η αφθονία ελεύθερων ηλεκτρονίων στη δομή του γραφενίου.

Οταν το φως πέφτει στην κβαντική τελεία, κάθε φωτόνιό του «τρελαίνει» περίπου 100 εκατομμύρια ηλεκτρόνια! Το εύρημα δηλαδή του Κωνσταντάτου είναι ταυτόχρονα το τελειότερο νανοφωτοβολταϊκό και η απαρχή ενός τρανζίστορ που τροφοδοτείται και ρυθμίζεται από φως.

Δεν γνωρίζουμε ποιο θα αναπτυχθεί πρώτο – το ανταλλακτικό της τέλειας όρασης ή ο φωτονικός υπολογιστής – αλλά σίγουρα τον κόσμο που μας ξημερώνει σε αυτόν τον νέο αιώνα «δεν τον έχουμε ματαδεί».

ΕΝΤΥΠΗ ΕΚΔΟΣΗ