Effetto del controllo del tempo di miscelazione modificando la velocità del flusso sulla lunghezza d'onda di emissione (cioè, colore di fluorescenza) dei punti quantici di perovskite risultanti. Credito:North Carolina State University
I ricercatori hanno sviluppato una tecnica che consente agli utenti di raccogliere 100 volte più informazioni spettrografiche al giorno da dispositivi microfluidici, rispetto al precedente standard di settore. La nuova tecnologia ha già portato a una nuova scoperta:la velocità di miscelazione degli ingredienti per i punti quantici utilizzati nei LED cambia il colore della luce che emettono, anche quando tutte le altre variabili sono identiche.
"I nanocristalli semiconduttori sono strutture importanti utilizzate in una varietà di applicazioni, che vanno dai display a LED alle celle solari. Ma produrre strutture nanocristalline usando la sintesi chimica è complicato, perché ciò che funziona bene su piccola scala non può essere scalato direttamente:la fisica non funziona, "dice Milad Abolhasani, un assistente professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la North Carolina State University e corrispondente autore di un articolo sul lavoro.
"Questa sfida ha portato a un interesse per gli approcci di nanoproduzione continua che si basano su una sintesi basata su microfluidica controllata con precisione, " Abolhasani afferma. "Ma testare tutte le variabili rilevanti per trovare la migliore combinazione per la produzione di una determinata struttura richiede molto tempo a causa dei limiti delle tecnologie di monitoraggio esistenti, quindi abbiamo deciso di costruire una piattaforma completamente nuova".
Attualmente, le tecnologie di monitoraggio microfluidico sono fissate in atto, e monitorare l'assorbimento o la fluorescenza. I dati di fluorescenza ti dicono qual è il bandgap di emissione del cristallo – o quale colore della luce emette – che è importante per le applicazioni LED. I dati di assorbimento indicano la dimensione e la concentrazione del cristallo, che è rilevante per tutte le applicazioni, così come il suo bandgap di assorbimento, che è importante per le applicazioni delle celle solari.
La vista esplosa di NanoRobo, evidenziando i moduli di estensione del riscaldamento e del reattore. Credito:North Carolina State University
Per monitorare sia la fluorescenza che l'assorbimento avresti bisogno di due punti di monitoraggio separati. E, essere fissato in posizione, le persone accelereranno o rallenteranno la portata nel canale microfluidico per controllare il tempo di reazione della sintesi chimica:più veloce è la portata, minore è il tempo di reazione che un campione ha prima di raggiungere il punto di monitoraggio. Lavorando tutto il giorno, questo approccio consentirebbe a un laboratorio di raccogliere circa 300 campioni di dati in 24 ore.
Abolhasani e il suo team hanno sviluppato una tecnologia microfluidica automatizzata chiamata NanoRobo, in cui un modulo di monitoraggio spettrografico che raccoglie dati sia di fluorescenza che di assorbimento può muoversi lungo il canale microfluidico, raccogliere dati lungo il percorso. Il sistema è in grado di raccogliere 30, 000 campioni di dati in 24 ore – accelerando la scoperta, selezione, e ottimizzazione di nanocristalli semiconduttori colloidali, come punti quantici di perovskite, di due ordini di grandezza.
E, a causa della capacità di traduzione del nuovo modulo di monitoraggio, il sistema può studiare il tempo di reazione muovendosi lungo il canale microfluidico, piuttosto che modificare la portata – che, i ricercatori hanno scoperto, fa una grande differenza.
Poiché NanoRobo ha consentito ai ricercatori di monitorare per la prima volta il tempo di reazione e la portata come variabili separate, Abolhasani è stato il primo a notare che la velocità dei campioni nel canale microfluidico influenzava le dimensioni e il colore di emissione dei nanocristalli risultanti. Anche se tutti gli ingredienti fossero gli stessi, e tutte le altre condizioni erano identiche, campioni che si muovevano – e si mescolavano – a una velocità maggiore producevano nanocristalli più piccoli. E questo influenza il colore della luce che quei cristalli emettono.
"Questo è solo un altro modo per sintonizzare la lunghezza d'onda di emissione dei nanocristalli di perovskite da utilizzare nei dispositivi LED, "dice Abolhasani.
NC State ha depositato un brevetto provvisorio che copre NanoRobo ed è aperto a esplorare potenziali applicazioni di mercato per la tecnologia.
La carta, "Piattaforma microfluidica automatizzata per studi sistematici di nanocristalli di perovskite colloidale:verso la nanoproduzione continua, " è pubblicato sulla rivista Laboratorio su un chip .
