Minuscole particelle di materia chiamate punti quantici, che emettono luce dai colori eccezionalmente puri e luminosi, hanno trovato un ruolo di primo piano come marcatori biologici. Inoltre, stanno realizzando il loro potenziale negli schermi dei computer e della televisione, e prometti nell'illuminazione a stato solido. Una nuova ricerca al MIT potrebbe ora rendere questi punti quantici ancora più efficienti nel fornire colori di luce perfettamente sintonizzati.

Questi materiali, chiamati nanocristalli di punti quantici a semiconduttore colloidale, può emettere qualsiasi colore di luce, a seconda della loro esatta dimensione o composizione. Ma c'è una certa variabilità nella diffusione dei colori che producono diversi lotti di nanocristalli, e fino ad ora non c'era modo di dire se quella variabilità provenisse dall'interno delle singole particelle o dalle variazioni tra i nanocristalli in un lotto.

Questo è il puzzle che un team del MIT ha ora risolto, utilizzando un nuovo metodo di osservazione. I risultati appaiono sulla rivista Chimica della natura in un articolo del professore di chimica Moungi Bawendi, studente laureato Jian Cui, e altri sei.

Per molte applicazioni, come i display a schermo piatto, è importante creare particelle che emettano uno specifico, colore puro della luce. Così, è importante sapere se un dato processo produce nanocristalli con uno spettro di emissione di colore intrinsecamente stretto o ampio.

"Devi capire come lo spettro di una singola particella si relaziona allo spettro dell'intero insieme, " dice Cui. Ma i metodi di osservazione esistenti che rilevano un intero insieme producono dati che "stanno offuscando le informazioni, " e i metodi che tentano di estrarre dati da singole particelle hanno dei limiti.

Osservando miliardi in una volta

Il nuovo metodo, sviluppato nel laboratorio di Bawendi, è un allontanamento radicale dai mezzi convenzionali di osservazione delle emissioni luminose dai singoli emettitori. Normalmente, questo viene fatto isolando i singoli emettitori, stabilizzandoli su un substrato, e osservandoli uno alla volta.

Ma questo approccio ha due inconvenienti, Bawendi spiega:"Si ottengono solo piccoli numeri, perché stai guardando uno alla volta, e c'è un bias di selezione, perché di solito guardi quelli luminosi."

Il nuovo metodo, chiamato spettroscopia di Fourier di correlazione fotonica in soluzione, consente di estrarre proprietà spettrali di singole particelle da un ampio gruppo di particelle. Anche se non ti dice l'ampiezza del picco spettrale di una particella specifica, ti dà la larghezza spettrale media di una singola particella da miliardi di particelle, rivelando se le singole particelle producono o meno colori puri.

Inoltre, Bawendi spiega, le particelle "non sono isolate su una superficie, ma [sono] nel loro ambiente naturale, in una soluzione." Con i metodi tradizionali, "C'è sempre una domanda:quanto influisce la superficie sui risultati?"

Il metodo funziona confrontando coppie di fotoni emessi da singole particelle. Questo non ti dice il colore assoluto di una particolare particella, ma fornisce una misura statistica rappresentativa dell'intera raccolta di particelle. Lo fa illuminando la soluzione campione con un raggio laser e rilevando la luce emessa su scale temporali estremamente brevi. Quindi, mentre le diverse particelle non sono differenziate nello spazio, possono essere differenziati nel tempo, mentre entrano ed escono dal raggio laser stretto e vengono accesi dal raggio.

"Otteniamo la larghezza media della linea di una singola particella nella soluzione, senza alcun pregiudizio di selezione, " dice Cui. Applicando questo metodo alla produzione di nanocristalli quantum dot, il team del MIT può determinare come funzionano i diversi metodi di sintesi delle particelle.

Mettere a punto il processo

"Era una questione aperta se le larghezze delle linee a punto singolo fossero variabili o meno, " dice Cui. Ora, lui e i suoi colleghi possono determinarlo per ogni variazione nel processo di fabbricazione, e iniziare a mettere a punto il processo per produrre l'output più utile per diverse applicazioni.

Oltre ai display del computer, tali particelle hanno applicazioni nella ricerca biomedica, dove sono usati come agenti coloranti per diverse sostanze biochimiche. Più precisi sono i colori delle particelle, maggiore è il numero di particelle di colore diverso che possono essere utilizzate contemporaneamente in un campione, ciascuno mirato a un diverso tipo di biomolecola.

Usando questo metodo, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che un materiale ampiamente utilizzato per i punti quantici, seleniuro di cadmio, produce effettivamente colori molto puri. Ma, hanno scoperto che altri materiali che potrebbero sostituire il seleniuro di cadmio o produrre colori diversi, come il fosfuro di indio, può anche avere colori intrinsecamente molto puri. In precedenza, questa era una domanda aperta.

Todd Krauss, un professore di chimica all'Università di Rochester che non era coinvolto in questa ricerca, afferma che "l'approccio del team del MIT è molto intelligente e si basa su ciò che questo gruppo ha fatto in precedenza". Misurare le larghezze di linea delle singole particelle è importante, lui dice, nell'ottimizzazione di applicazioni come schermi televisivi e marcatori biologici. Aggiunge, "Dovremmo essere in grado di fare passi molto migliori ora che questa tecnica è stata pubblicata, a causa della capacità di ottenere larghezze di linea di singole particelle su molte particelle contemporaneamente."

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.