In questa illustrazione, il dispositivo spettrometro Quantum Dot (QD) sta stampando filtri QD, una fase fondamentale della fabbricazione. Altri approcci spettrometrici hanno sistemi complicati per creare le strutture ottiche necessarie. Qui nell'approccio dello spettrometro QD, la struttura ottica — filtri QD — è generata stampando goccioline liquide. Questo approccio è unico e vantaggioso in termini di flessibilità, semplicità, e riduzione dei costi.
Strumenti che misurano le proprietà della luce, conosciuti come spettrometri, sono ampiamente utilizzati in fisica, chimico, e ricerca biologica. Questi dispositivi sono generalmente troppo grandi per essere portatili, ma gli scienziati del MIT hanno ora dimostrato di poter creare spettrometri abbastanza piccoli da stare all'interno di una fotocamera per smartphone, utilizzando minuscole nanoparticelle di semiconduttori chiamate punti quantici.
Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati per diagnosticare malattie, soprattutto condizioni della pelle, o per rilevare inquinanti ambientali e condizioni alimentari, dice Jie Bao, un ex postdoc del MIT e l'autore principale di un articolo che descrive gli spettrometri a punti quantici nel numero del 2 luglio di Natura .
Questo lavoro rappresenta anche una nuova applicazione per punti quantici, che sono stati utilizzati principalmente per etichettare cellule e molecole biologiche, così come in computer e schermi televisivi.
"L'utilizzo di punti quantici per gli spettrometri è un'applicazione così semplice rispetto a tutto il resto che abbiamo cercato di fare, e penso che sia molto allettante, "dice Moungi Bawendi, il Lester Wolfe Professor of Chemistry al MIT e l'autore senior dell'articolo.
Spettrometri restringenti
I primi spettrometri consistevano in prismi che separavano la luce nelle sue lunghezze d'onda costituenti, mentre i modelli attuali utilizzano apparecchiature ottiche come reticoli di diffrazione per ottenere lo stesso effetto. Gli spettrometri sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, come studiare i processi atomici e i livelli energetici in fisica, o analizzare campioni di tessuto per la ricerca biomedica e la diagnostica.
La sostituzione di quell'ingombrante attrezzatura ottica con punti quantici ha permesso al team del MIT di ridurre gli spettrometri a circa le dimensioni di un quarto degli Stati Uniti, e per sfruttare alcune delle proprietà utili intrinseche dei punti quantici.
punti quantici, un tipo di nanocristalli scoperto nei primi anni '80, sono realizzati combinando metalli come piombo o cadmio con altri elementi tra cui zolfo, selenio, o arsenico. Controllando il rapporto di questi materiali di partenza, la temperatura, e il tempo di reazione, gli scienziati possono generare un numero quasi illimitato di punti con differenze in una proprietà elettronica nota come bandgap, che determina le lunghezze d'onda della luce che ogni punto assorbirà.
Però, la maggior parte delle applicazioni esistenti per i punti quantici non sfrutta questa vasta gamma di assorbanza della luce. Anziché, la maggior parte delle applicazioni, come celle di etichettatura o nuovi tipi di schermi TV, sfruttare la fluorescenza dei punti quantici, una proprietà molto più difficile da controllare, dice Bawendi. "È molto difficile creare qualcosa che emetta una fluorescenza molto brillante, " dice. "Devi proteggere i puntini, devi fare tutta questa ingegneria."
Gli scienziati stanno anche lavorando su celle solari basate su punti quantici, che si basano sulla capacità dei punti di convertire la luce in elettroni. Però, questo fenomeno non è ben compreso, ed è difficile da manipolare.
D'altra parte, Le proprietà di assorbimento dei punti quantici sono ben note e molto stabili. "Se possiamo contare su queste proprietà, è possibile creare applicazioni che avranno un impatto maggiore nel relativo breve termine, " dice Bao.
Ampio spettro
Il nuovo spettrometro a punti quantici distribuisce centinaia di materiali a punti quantici che filtrano ciascuno un insieme specifico di lunghezze d'onda della luce. I filtri a punti quantici sono stampati in una pellicola sottile e posizionati sopra un fotorilevatore come i dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) che si trovano nelle fotocamere dei cellulari.
I ricercatori hanno creato un algoritmo che analizza la percentuale di fotoni assorbiti da ciascun filtro, quindi ricombina le informazioni di ciascuno per calcolare l'intensità e la lunghezza d'onda dei raggi di luce originali.
Più materiali a punti quantici ci sono, più lunghezze d'onda possono essere coperte e maggiore è la risoluzione. In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato circa 200 tipi di punti quantici distribuiti su un intervallo di circa 300 nanometri. Con più punti, tali spettrometri potrebbero essere progettati per coprire una gamma ancora più ampia di frequenze luminose.
"Bawendi e Bao hanno mostrato un bel modo per sfruttare l'assorbimento ottico controllato dei punti quantici di semiconduttori per spettrometri in miniatura. Dimostrano uno spettrometro che non è solo piccolo, ma anche con alto throughput e alta risoluzione spettrale, che non è mai stato raggiunto prima, "dice Feng Wang, un professore associato di fisica presso l'Università della California a Berkeley che non è stato coinvolto nella ricerca.
Se incorporato in piccoli dispositivi palmari, questo tipo di spettrometro potrebbe essere utilizzato per diagnosticare condizioni della pelle o analizzare campioni di urina, dice Bao. Potrebbero anche essere usati per monitorare i segni vitali come il polso e il livello di ossigeno, o per misurare l'esposizione a diverse frequenze di luce ultravioletta, che variano notevolmente nella loro capacità di danneggiare la pelle.
"Il componente centrale di tali spettrometri, l'array di filtri a punti quantici, è fabbricato con elaborazione e stampa basate su soluzioni, consentendo così una significativa riduzione dei costi potenziali, " aggiunge Bao.
