ذراتی به اندازه ویروس‌ها که در هر رنگی فلورسان می‌شوند، می‌توانند در کاربردهای مختلفی از نمایشگرهای تلویزیون تا درمان سرطان، انقلاب ایجاد کنند.
در بیوپلیس (Biopolis)، یک مجموعه‌ی تحقیقاتی وسیع در سنگاپور، چی چینگ گاه (Chi Ching Goh) روی یک موش بیهوش‌شده که بر روی میز مقابل او دراز کشیده بود، خم شده بود و به دقت یک محلول به رنگ زرد روشن را به آن تزریق می‌کرد. سپس خیلی آرام گوش موش را زیر میکروسکوپ قرار داد وبا ضربه زدن به یک کلید گوش موش را در نور فرابنفش غوطه ور کرد.از عدسی چشمی میکروسکوپ دیده شد که نورافکنی خون زیر پوست را به رنگ سبز درخشانی می‌کند ورگ‌های ظریفی که محلول را در بدن موجود حمل می‌کند را، ردیابی می‌کند.
در نهایت، گاه، که یک دانشجوی دکتری در دانشگاه ملی سنگاپور است، امیدوار است این روش به او برای یافتن رگ‌های خونی که به دلیل التهاب نشت می‌کنند کمک کند، شاید این به کشف مالاریا و پیش‌بینی سکته‌ها کمک کند. ذرات سایز ویروسی که به محلول رنگ می‌دهند برای تکنیک او بسیار مهم هستند. تنها در طول کمی از ده‌ها نانومتر، آنها در میان یک رشتۀ در حال گسترش از «نانونورها» هستند که محققان به نوع خاصی از تابش فلورسانس ربط می‌دهند: توانایی جذب نور در یک طول موج و بازانتشار آن در یک طول موج دیگر.
بسیاری از ترکیبات طبیعی می‌توانند این کار را انجام دهند، از پروتئین‌های ستاره‌ی دریایی تا برخی از ترکیبات کمیاب زمین. اما نانونورها پایدارتر و تطبیق‌پذیر‌تر هستند و به راحتی آماده می‌شوند، که این قابلیت آنها را برای کاربران در صنعت و علم جذاب‌تر می‌کند.
بهترین مثال‌های محرز کوانتوم دات‌ها یا نقاط کوانتومی (Quantum Dot) هستند: ذره‌های کوچک نیمه‌رسانا که به دلیل داشتن رنگ‌های زیبا و درخشان قابل ستایش هستند. اگرچه، اکنون انواع دیگری از نانونورها در حال افزایش هستند. برخی یک قابلیت کمیاب برای جذب بسیاری از فوتون‌های کم انرژی و ترکیب انرژی آنها به تعدادی از فوتون‌های پرانرژی را دارند-یک ترفند که فرصت‌هایی مانند تولید نورهای چندگانه را یک جا، ایجاد می‌کند. مابقی از پلیمرها یا مولکول‌های کوچک ارگانیکی تشکیل شده‌اند. اینها کمتر از کوانتوم دات‌ها سمی هستند و اغلب آنها را تحت‌الشعاع قرار می‌دهند-بیشتر برای حیرت شیمیدانانی که عادت داشتند از تجزیه کردن ساده‌ی ترکیبات دارای کربن در حضور نور فرابنفش استفاده کنند.
اولین پروتئین فلورسان کشف‌شده در مهره‌داران
بین لیو (Bin Liu) یک مهندس شیمی در دانشگاه ملی سنگاپور و طراح نانوذرات فلورسانس که گاه در آزمایش خود استفاده می‌کرد، می‌گوید من ازینکه دریافتم ما می‌توانیم ذرات ارگانیک بسیار روشن تر از ذرات غیرارگانیک بسازیم، متعجب شدم.
نانونورها اکنون کاربردهایی دربسیاری از زمینه‌ها از نمایشگرهای مسطح تا تست‌های بیوشیمی، پیدا کرده‌اند. و محققان حتی درموردکابردهای جا‌ه‌طلبانه‌تر مانند انرژی خورشیدی، نقشه کشی دی‌ان‌ای (DNA)، سنجش حرکت و حتی جراحی کار می‌کنند.دنیل چیو (Daniel Chiu) که نانو ذرات فلورسانس را در دانشگاه واشینگتون در سیاتل مطالعه می‌کند، می‌گوید، «این تحقیق قطعاً با گام سریعی پیش می‌رود.»
یک شیمیدان در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی (Paul Alivisatos) و یکی از بنیان‌گذاران اولین شرکت‌های تکنولوژی کوانتوم دات، اضافه می‌کند که این تحقیق همچنین در محدوده‌ی وسیعی در حال گسترش است. «اکنون سرگرمی بسیاری داریم».
اهمیت اندازه
آغاز دوران نانو‌نور با کشف کوانتوم دات‌ها در سال 1981 شروع شد. فیزیکدانان روسیه‌ای کریستال‌های بسیار ریزنیمه‌رسانا‌ی کلراید مسرا در شیشه‌ی سیلیکاتی رشد دادند و مشاهده کردند که رنگ شیشه به اندازهٔ ذرات بستگی دارد. کریستال‌ها بسیار کوچک هستند طوریکه اثرات کوانتومی پس زده می‌شوند و آنها مانند اتم‌ها رفتار می‌کنند: آنها می‌توانند تنها در رنگ‌های خاصی جذب یا گسیل شوند، با فرنکانس وابسته به اندازه و یا شکل ذرات ("به پل زدن روی شکاف" مراجعه کنید).
یین تایی چان (Yin Thai Chan)، که در دانشگاه ملی سنگاپور بر روی آنها مطالعه می‌کند می‌گوید: کوانتوم دات‌ها درخشان و زیبا هستند، «اما کاربرد مشخصی ندارند». اگرچه در اوایل دهه‌ی 2000 رنگ‌های خالص شروع به جذب سازندگان تلویزیون کردند، همانند محققان زیست-پزشکی، که پتانسیل آنها را برای برچسب زدن برخی پروتئین‌های خاص و بخش‌های دی‌اِن‌اِی، دیدند.
سلول‌های خورشیدی ارزان
لیو می‌گوید «همه چیز در مورد کوانتوم دات‌ها خوب است» به جز یک مورد: سمی بودن آنها. بهترین آنها شامل کادمیوم است، که سلول‌ها را سمی می‌کند. این عامل سودمندی آنها را در زیست‌شناسی و کاربردهای آنها مانند لوازم الکتریکی خانگی محدود کرده است، به دلیل اینکه برخی از کشورها اجازه استفاده ازین عناصر را در وسایلنمی‌دهند. این مشکل تا حدی می‌تواند می‌تواند حل شود، با جایگزین کردن کادمیوم با زینک (zinc) یا ایندیوم (indium)، که به طور قابل توجهی کمتر سمی هستند، یا با پیچیدن کوانتوم دات-هایی با پایه کادمیوم در پلیمرهایی که با بافت‌های زنده سازگاری دارند. اما سمی بودن همچنان یک کاستی برای محققانی که به دنبال کاربردهای بزرگتری هستند، محسوب می‌شود. مانند جراحی با کمک فلورسانس، که در آن نانوذرات به یک تومور تزریق می‌شوند، به منظور روشن کردن آن و کمک به جراحان برای برداشتن تمامی ردهای آن.
ارگانیک کردن
برای جواب دادن به این چالش، محققان شروع به ساختن نانوذرات از مواد که بطور طبیعی فلورسانس هستند، کرده‌اند. به دلیل اینکهخصوصیات انتشار نوری این نانونورها از ترکیب آنها بیشتر ناشی می‌شود تا شکل و یا اندازه‌ی آنها، ساختن آنها با رنگ‌های به خصوص راحت‌تر است.چیو می‌گوید: در واقع، این بسیار مفید است به دلیل وجود مشکلاتبرای هماهنگ کردن همه چیز در یک اندازه.
همچنین این به محققان نانونورها آزادی داده است تا ماده های دیگری را کشف کنند، مانند پلیمرهای نیمه‌رسانا. مطالعه درمورد پتانسیل این پلیمرها در الکترونیک از دهه 1950، نشان داده است که این پلیمرها از ترکیبات ساده‌ای تشکیل شده‌اند، که این ترکیبات به یک زنجیره داراز که در آن الکترون‌ها آزادی حرکت در انرژی‌های تعیین شده توسط ساختار زنجیره را دارند، متصل شده‌اند.
نورزمانی گسیل می‌شود که الکترون‌ها به ترازهای بالاتر انرژی توسط یک منبع خارجی مانند نور فرابنفش، روند و سپس به ترازهای پایینتر بیفتند. پلیمرها نیز می‌توانند بوسیله‌ی گروه‌های خارجی به منظور برخی خصوصیات خاص به آنها، آراسته شوند-برای مثال، نشانه گرفتن آنها برای سلول‌های سرطانی، یا کمک به آنها برای حل شدن در آب.و زمانیکه زنجیره به نانوذرات پلیمری یا به «پی‌دات‌ها» (P-dots) انبوه شود، آنها می‌توانند تا 30 برابر بزرگتر از یک کوانتوم دات در اندازه قابل مقایسه، باشند.
پلیمرهای نیمه رسانا مقاومت و استحکام کمتری نسبت به نیمه‌رساناهای غیر ارگانیک که در کوانتوم دات‌ها استفاده می‌شوند، دارند. اما به دلیل اینکه آنها بر پایه کربن هستند، و هیچ فلزی ندارند، سازگاری زیستی بیشتری با محیط خواهند داشت. پی-دات‌ها برای رنگ زدن و عکس گرفتن از سلول‌ها استفاده می‌شدند، و همچنین به عنوان حسگرهایی برای آشکار سازی اکسیژن، آنزیم‌ها یا یون‌های فلزی مانند مس.
کوانتوم‌دات در نمایشگرها
در سال 2013، برای مثال، جیو و همکارانش گزارش دادند که یک پی-دات که به یک یون تربیوم (terbium) مقید است، می‌تواند بیومولکول‌هایی که توسط هاگ‌های باکتریاییتولید می‌شوند را، آشکار کند. زیر یک لامپ فرابنفش، پی دات آبی تیره می‌شود و یون‌های تربیوم یک رنگ سبز نئونی کم رنگ را گسیل می‌کنند. اما وقتی که بیومولکول‌های گذرنده خودشان را به تربیوم می‌چسبانند، نور یون‌ها به سبز روشن تبدیل می‌شود. نور پی‌دات بدن تغییر باقی می‌ماند، بنابراین این به عنوان یک استاندارد داخلی در نظر گرفته می‌شود.
متأسفانه، پی دات‌ها یک مشکل اساسی دارند: مولکول‌های پلیمر تا حدی نزدیک هم قرار گرفته‌اند که می-توانند توسط فرونشانی (quenching) تحت تأثیر قرار گیرند. پدیده‌ای که در آن بیشتر انرژی که از سمت منبع نور اصلی می‌آید خیلی سریع از بین می‌رود.
فرونشانی تأثیر زیادی بر روی بازده دارد، Yang-Hsiang Chan، یک شیمیدان در دانشگاه ملی Sun Yat-Sen در Kaohsiung, Taiwan می‌گوید. یک راه برای غلبه بر این مشکل اضافه کردن گروه‌های حجیم به ستون اصلی پلیمرها به منظور جلوگیری از نزدیک شدن خیلی زیاد پلیمرها به هم، است. اما این نیز به تنهایی می‌تواند شکست‌‌پذیر باشد: نانو ذرات حاصله معمولاً چاق‌تر و بزرگتر از حدی هستند که بتوانند وارد سلول‌ها شوند، یا بسیار کم‌نور هستند و مفید نیستند. چان، که روی این حل کردن این مشکل با طراحی پلیمرهای جدید، کار می‌کند، می‌گوید، «به‌دست آوردن یک تعادل صحیح بسیار سخت خواهد بود».