Punti quantici di MoS2 in soluzione acquosa (a sinistra) e un ingrandimento ultraelevato di un punto quantico di MoS2 (a destra). I punti quantici MoS2 sintetizzati con il nuovo approccio sviluppato dai ricercatori della National University of Singapore possono potenzialmente generare proprietà antitumorali. Credito:Università Nazionale di Singapore
Nanomateriali bidimensionali (2-D) di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) come la molibdenite (MoS) 2 ), che possiedono una struttura simile al grafene, sono stati indossati i materiali del futuro per la loro vasta gamma di potenziali applicazioni in biomedicina, sensori, catalizzatori, fotorivelatori e dispositivi di accumulo di energia. La controparte più piccola dei TMD 2-D, noti anche come punti quantici TMD (QD) accentuano ulteriormente le proprietà ottiche ed elettroniche dei TMD, e sono altamente sfruttabili per applicazioni catalitiche e biomediche. Però, TMD QD è difficilmente utilizzato nelle applicazioni poiché la sintesi di TMD QD rimane impegnativa.
Ora, gli ingegneri della National University of Singapore (NUS) hanno sviluppato una strategia conveniente e scalabile per sintetizzare i QD TMD. La nuova strategia consente inoltre di progettare le proprietà dei QD TMD in modo specifico per diverse applicazioni, facendo così un balzo in avanti nell'aiutare a realizzare il potenziale dei QD TMD.
Strategia bottom-up per sintetizzare i QD TMD
L'attuale sintesi dei nanomateriali TMD si basa su un approccio top-down in cui i minerali minerali TMD vengono raccolti e scomposti da una scala millimetrica a una nanometrica tramite mezzi fisici o chimici. Questo metodo, mentre efficace nella sintesi di nanomateriali TMD con precisione, è a bassa scalabilità e costoso in quanto separare i frammenti di nanomateriali per dimensione richiede più processi di purificazione. Anche l'utilizzo dello stesso metodo per produrre QD TMD di dimensioni coerenti è estremamente difficile a causa delle loro dimensioni ridotte.
Per vincere questa sfida, un team di ingegneri del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Facoltà di Ingegneria della NUS ha sviluppato una nuova strategia di sintesi dal basso verso l'alto in grado di costruire in modo coerente QD TMD di una dimensione specifica, un metodo più economico e più scalabile rispetto al tradizionale approccio top-down. I QD TMD sono sintetizzati facendo reagire ossidi o cloruri di metalli di transizione con precursori di calogeni in condizioni acquose blande ea temperatura ambiente. Utilizzando l'approccio dal basso verso l'alto, il team ha sintetizzato con successo una piccola libreria di sette QD TMD ed è stato in grado di alterare di conseguenza le loro proprietà elettroniche e ottiche.
Il Professore Associato David Leong del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Facoltà di Ingegneria della NUS ha guidato lo sviluppo di questo nuovo metodo di sintesi. Lui ha spiegato, "Utilizzare l'approccio dal basso verso l'alto per sintetizzare i QD TMD è come costruire un edificio da zero usando il cemento, componente in acciaio e vetro; ci dà il pieno controllo sul design e sulle caratteristiche dell'edificio. Allo stesso modo, questo approccio dal basso verso l'alto ci consente di variare il rapporto tra ioni di metalli di transizione e ioni calcogeno nella reazione per sintetizzare i QD TMD con le proprietà che desideriamo. Inoltre, attraverso il nostro approccio dal basso verso l'alto, siamo in grado di sintetizzare nuovi QD TMD che non si trovano naturalmente. Possono avere nuove proprietà che possono portare a nuove applicazioni".
Applicazione di TMD QD nella terapia del cancro e oltre
Il team di ingegneri NUS ha quindi sintetizzato i QD MoS2 per dimostrare applicazioni biomediche proof-of-concept. Attraverso i loro esperimenti, il team ha dimostrato che le proprietà dei difetti dei QD MoS2 possono essere progettate con precisione utilizzando l'approccio dal basso verso l'alto per generare diversi livelli di stress ossidativo, e può quindi essere utilizzato per la terapia fotodinamica, una terapia del cancro emergente.
"La terapia fotodinamica attualmente utilizza composti organici fotosensibili che producono stress ossidativo per uccidere le cellule tumorali. Questi composti organici possono rimanere nel corpo per alcuni giorni e ai pazienti che ricevono questo tipo di terapia fotodinamica si sconsiglia l'esposizione non necessaria alla luce intensa. TMD QD come I QD MoS2 possono offrire un'alternativa più sicura a questi composti organici poiché alcuni metalli di transizione come il Mo sono essi stessi minerali essenziali e possono essere rapidamente metabolizzati dopo il trattamento fotodinamico. Condurremo ulteriori test per verificarlo". Assoc Prof Leong ha aggiunto.
Il potenziale dei QD TMD, però, va ben oltre le semplici applicazioni biomediche. Andando avanti, il team sta lavorando per espandere la propria libreria di QD TMD utilizzando la strategia bottom-up, e per ottimizzarli per altre applicazioni come la TV di prossima generazione e gli schermi dei dispositivi elettronici, componenti elettronici avanzati e persino celle solari.
