I televisori a schermo piatto che incorporano punti quantici sono ora disponibili in commercio, ma è stato più difficile creare array dei loro cugini allungati, i bastoncini quantici, per dispositivi commerciali. I bastoncini quantistici possono controllare sia la polarizzazione che il colore della luce, per generare immagini 3D per dispositivi di realtà virtuale.
Utilizzando impalcature fatte di DNA ripiegato, gli ingegneri del MIT hanno escogitato un nuovo modo per assemblare con precisione schiere di barre quantistiche. Depositando barre quantistiche su un'impalcatura di DNA in modo altamente controllato, i ricercatori possono regolare il loro orientamento, che è un fattore chiave nel determinare la polarizzazione della luce emessa dalla matrice. Ciò rende più semplice aggiungere profondità e dimensionalità a una scena virtuale.
"Una delle sfide con le barre quantistiche è:come allinearle tutte su scala nanometrica in modo che puntino tutte nella stessa direzione?" afferma Mark Bathe, professore di ingegneria biologica del MIT e autore senior del nuovo studio. "Quando puntano tutti nella stessa direzione su una superficie 2D, hanno tutti le stesse proprietà di interazione con la luce e di controllo della sua polarizzazione."
Chi Chen e Xin Luo, postdoc del MIT, sono gli autori principali dell'articolo, apparso su Science Advances . Robert Macfarlane, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali; Alexander Kaplan Ph.D. e Moungi Bawendi, professore di chimica Lester Wolfe, sono anche autori dello studio.
Negli ultimi 15 anni, Bathe e altri hanno guidato la progettazione e la fabbricazione di strutture su scala nanometrica fatte di DNA, note anche come origami di DNA. Il DNA, una molecola altamente stabile e programmabile, è un materiale da costruzione ideale per minuscole strutture che potrebbero essere utilizzate per una varietà di applicazioni, tra cui la somministrazione di farmaci, la funzione di biosensori o la formazione di impalcature per materiali che raccolgono la luce.
Il laboratorio di Bathe ha sviluppato metodi computazionali che consentono ai ricercatori di inserire semplicemente una forma su scala nanometrica target che desiderano creare e il programma calcolerà le sequenze di DNA che si auto-assemblano nella forma giusta. Hanno inoltre sviluppato metodi di fabbricazione scalabili che incorporano punti quantici in questi materiali basati sul DNA.
In un articolo del 2022, Bathe e Chen hanno dimostrato di poter utilizzare il DNA per impalcare punti quantici in posizioni precise utilizzando la fabbricazione biologica scalabile. Basandosi su quel lavoro, hanno collaborato con il laboratorio di Macfarlane per affrontare la sfida di organizzare le barre quantistiche in array 2D, cosa più difficile perché le barre devono essere allineate nella stessa direzione.
Gli approcci esistenti che creano schiere allineate di barre quantistiche utilizzando lo sfregamento meccanico con un tessuto o un campo elettrico per spostare le barre in una direzione hanno avuto solo un successo limitato. Questo perché l'emissione di luce ad alta efficienza richiede che i bastoncini siano mantenuti ad almeno 10 nanometri l'uno dall'altro, in modo che non "distruggano" o sopprimano l'attività di emissione di luce dei vicini.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno ideato un modo per attaccare le aste quantistiche a strutture di origami di DNA a forma di diamante, che possono essere costruite alla giusta dimensione per mantenere quella distanza. Queste strutture di DNA vengono poi attaccate a una superficie, dove si incastrano come pezzi di un puzzle.
"Le aste quantistiche si trovano sull'origami nella stessa direzione, quindi ora hai modellato tutte queste aste quantistiche attraverso l'autoassemblaggio su superfici 2D, e puoi farlo sulla scala micron necessaria per diverse applicazioni come i microLED", afferma Bathe. "Puoi orientarli in direzioni specifiche controllabili e tenerli ben separati perché gli origami sono imballati e si incastrano naturalmente, come farebbero i pezzi di un puzzle."
Come primo passo per far funzionare questo approccio, i ricercatori hanno dovuto trovare un modo per collegare i filamenti di DNA alle barre quantistiche. Per fare ciò, Chen ha sviluppato un processo che prevede l'emulsione del DNA in una miscela con le bacchette quantistiche, quindi la rapida disidratazione della miscela, che consente alle molecole di DNA di formare uno strato denso sulla superficie delle bacchette.
Questo processo richiede solo pochi minuti, molto più velocemente di qualsiasi metodo esistente per collegare il DNA a particelle su scala nanometrica, il che potrebbe essere fondamentale per consentire applicazioni commerciali.
"L'aspetto unico di questo metodo risiede nella sua applicabilità quasi universale a qualsiasi ligando amante dell'acqua con affinità per la superficie delle nanoparticelle, consentendo loro di essere immediatamente spinti sulla superficie delle particelle su scala nanometrica. Sfruttando questo metodo, abbiamo ottenuto un risultato significativo riduzione dei tempi di produzione da diversi giorni a pochi minuti," afferma Chen.
Questi filamenti di DNA agiscono quindi come il velcro, aiutando le barre quantistiche ad aderire a un modello di origami di DNA, che forma una pellicola sottile che riveste una superficie di silicato. Questa sottile pellicola di DNA viene prima formata tramite autoassemblaggio unendo insieme modelli di DNA vicini tramite filamenti di DNA sovrastanti lungo i bordi.
I ricercatori ora sperano di creare superfici su scala wafer con motivi incisi, che potrebbero consentire loro di adattare il loro progetto a disposizioni su scala di dispositivo di barre quantistiche per numerose applicazioni, oltre ai soli microLED o alla realtà aumentata/realtà virtuale.
"Il metodo che descriviamo in questo articolo è eccezionale perché fornisce un buon controllo spaziale e orientativo su come sono posizionate le aste quantistiche. Il prossimo passo sarà creare array più gerarchici, con struttura programmata su molte scale di lunghezza diverse. La capacità di controllare le dimensioni, le forme e il posizionamento di queste serie di barre quantistiche è la porta d'accesso a tutti i tipi di applicazioni elettroniche diverse," afferma Macfarlane.
"Il DNA è particolarmente attraente come materiale di produzione perché può essere prodotto biologicamente, il che è scalabile e sostenibile, in linea con la bioeconomia emergente degli Stati Uniti. Tradurre questo lavoro verso dispositivi commerciali risolvendo diversi colli di bottiglia rimanenti, compreso il passaggio a barre quantistiche sicure per l'ambiente" , è ciò su cui ci concentreremo in seguito", aggiunge Bathe.
Ulteriori informazioni: Chi Chen et al, Funzionalizzazione ultraveloce del DNA denso di punti e bastoncini quantici per la fabbricazione di array 2D scalabili con precisione su scala nanometrica, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh8508. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8508
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
