I punti quantici, minuscole particelle che emettono luce in una gamma abbagliante di colori brillanti, hanno il potenziale per molte applicazioni, ma hanno dovuto affrontare una serie di ostacoli per migliorare le prestazioni. Ma un team del MIT afferma di essere riuscito a superare tutti questi ostacoli contemporaneamente, mentre gli sforzi precedenti sono stati in grado di affrontarli solo uno o pochi alla volta.

Punti quantici:in questo caso, un tipo specifico chiamato punti quantici colloidali:sono minuscole particelle di materiale semiconduttore così piccole che le loro proprietà differiscono da quelle del materiale sfuso:sono governate in parte dalle leggi della meccanica quantistica che descrivono come si comportano gli atomi e le particelle subatomiche. Quando illuminato con luce ultravioletta, i punti diventano fluorescenti in una gamma di colori, determinata dalle dimensioni delle particelle.

Scoperto per la prima volta negli anni '80, questi materiali sono stati al centro di un'intensa ricerca a causa del loro potenziale di fornire vantaggi significativi in ​​un'ampia varietà di applicazioni ottiche, ma il loro uso effettivo è stato limitato da diversi fattori. Ora, ricerca pubblicata questa settimana sulla rivista Materiali della natura dal postdoc in chimica del MIT Ou Chen, Moungi Bawendi, il professore di chimica Lester Wolfe, e molti altri sollevano la prospettiva che questi fattori limitanti possano essere tutti superati.

Il nuovo processo sviluppato dal team del MIT produce punti quantici con quattro importanti qualità:dimensioni e forme uniformi; emissioni luminose, producendo un'efficienza di emissione vicina al 100%; un picco di emissioni molto ristretto, il che significa che i colori emessi dalle particelle possono essere controllati con precisione; e l'eliminazione della tendenza ad accendere e spegnere le palpebre, che limitava l'utilità delle precedenti applicazioni dei punti quantici.

Coloranti biologici multicolori

Per esempio, una potenziale applicazione di grande interesse per i ricercatori è quella di sostituire i tradizionali coloranti fluorescenti utilizzati nei test medici e nella ricerca. I punti quantici potrebbero avere diversi vantaggi rispetto ai coloranti, inclusa la capacità di etichettare molti tipi di cellule e tessuti in diversi colori a causa della loro capacità di produrre così stretti, precise variazioni di colore. Ma l'effetto lampeggiante ha ostacolato il loro utilizzo:nei processi biologici in rapido movimento, a volte puoi perdere traccia di una singola molecola quando il suo punto quantico attaccato lampeggia.

I precedenti tentativi di affrontare un problema dei punti quantici tendevano a peggiorare gli altri, Chen dice. Per esempio, per sopprimere l'effetto lampeggiante, le particelle erano fatte con gusci spessi, ma questo ha eliminato alcuni dei vantaggi delle loro piccole dimensioni.

La piccola dimensione di questi nuovi punti è importante per potenziali applicazioni biologiche, Bawendi spiega. "[I nostri] punti hanno all'incirca le dimensioni di una molecola proteica, " dice. Se vuoi taggare qualcosa in un sistema biologico, lui dice, il tag deve essere abbastanza piccolo da non sovraccaricare il campione o interferire in modo significativo con il suo comportamento.

I punti quantici sono anche visti come potenzialmente utili nella creazione di computer e schermi televisivi ad alta efficienza energetica. Sebbene tali display siano stati prodotti con la tecnologia dei punti quantici esistente, le loro prestazioni potrebbero essere migliorate attraverso l'uso di punti con colori controllati con precisione e maggiore efficienza.

Combinando i vantaggi

Quindi la ricerca recente si è concentrata sulle "proprietà di cui abbiamo davvero bisogno per migliorare l'applicazione [di puntini] come emettitori di luce, " Dice Bawendi, quali sono le proprietà che i nuovi risultati hanno dimostrato con successo. I nuovi punti quantici, per la prima volta, lui dice, "combina tutti questi attributi che le persone pensano siano importanti, allo stesso tempo."

Le nuove particelle sono state realizzate con un nucleo di materiale semiconduttore (seleniuro di cadmio) e gusci sottili di un diverso semiconduttore (solfuro di cadmio). Hanno dimostrato un'efficienza di emissione molto elevata (97 percento) e piccoli, dimensioni uniformi e picchi di emissione stretti. Il lampeggiamento è stato fortemente soppresso, il che significa che i punti rimangono "accesi" il 94 percento delle volte.

Un fattore chiave per far sì che queste particelle raggiungessero tutte le caratteristiche desiderate è stato farle crescere lentamente in soluzione, così le loro proprietà potrebbero essere controllate più precisamente, Chen spiega. "Una cosa molto importante è la velocità di sintesi, " lui dice, "dare abbastanza tempo per permettere a ogni atomo di andare nel posto giusto."

La lenta crescita dovrebbe facilitare la scalabilità fino a grandi volumi di produzione, lui dice, perché facilita l'utilizzo di contenitori di grandi dimensioni senza perdere il controllo sulle dimensioni finali delle particelle. Chen prevede che le prime applicazioni utili di questa tecnologia potrebbero iniziare ad apparire entro due anni.

Taeghwan Hyeon, direttore del Centro per la ricerca sulle nanoparticelle presso la Seoul National University in Corea, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, dice, "È molto impressionante, perché utilizzando un approccio apparentemente molto semplice, ovvero mantenendo un tasso di crescita lento:erano in grado di controllare con precisione lo spessore del guscio, consentendo loro di sintetizzare punti quantici altamente uniformi e di piccole dimensioni." Questo lavoro, lui dice, risolve una delle "sfide chiave" in questo campo, e "potrebbe trovare applicazioni di imaging biomedico, e può essere utilizzato anche per illuminazione e display a stato solido."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.