Forbedret quantum-dot ydeevne:Kan muliggøre mere effektive computerskærme, forbedret biomedicinsk test

Quantum dots - små partikler, der udsender lys i et blændende udvalg af glødende farver - har potentiale til mange anvendelser, men har stået over for en række forhindringer for forbedret ydeevne. Men et MIT -team siger, at det er lykkedes at overvinde alle disse forhindringer på én gang, mens tidligere bestræbelser kun har været i stand til at tackle dem et eller et par ad gangen.

Quantum dots - i dette tilfælde en bestemt type kaldet kolloide kvantepunkter - er små partikler af halvledermateriale, der er så små, at deres egenskaber adskiller sig fra massematerialets:De styres delvist af kvantemekanikkens love, der beskriver, hvordan atomer og subatomære partikler opfører sig. Når det belyses med ultraviolet lys, prikkerne fluorescerer klart i en række farver, bestemt af partiklernes størrelse.

Først opdaget i 1980'erne, disse materialer har været fokus for intens forskning på grund af deres potentiale til at give betydelige fordele i en lang række forskellige optiske applikationer, men deres faktiske brug har været begrænset af flere faktorer. Nu, forskning offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturmaterialer af MIT kemi postdoc Ou Chen, Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi, og flere andre øger udsigten til, at disse begrænsende faktorer alle kan overvindes.

Den nye proces, der er udviklet af MIT -teamet, producerer kvantepunkter med fire vigtige kvaliteter:ensartede størrelser og former; lyse emissioner, producerer tæt på 100 procent emissionseffektivitet en meget snæver emissionstop, hvilket betyder, at farverne udsendt af partiklerne kan kontrolleres præcist; og en eliminering af en tendens til at blinke til og fra, hvilket begrænsede anvendeligheden af ​​tidligere quantum-dot applikationer.

Flerfarvede biologiske farvestoffer

For eksempel, en potentiel anvendelse af stor interesse for forskere er som en erstatning for konventionelle fluorescerende farvestoffer, der bruges i medicinske tests og forskning. Quantum prikker kan have flere fordele i forhold til farvestoffer - herunder evnen til at mærke mange slags celler og væv i forskellige farver på grund af deres evne til at producere så smalle, præcise farvevariationer. Men den blinkende effekt har hindret deres anvendelse:I hurtige biologiske processer, du kan nogle gange miste overblikket over et enkelt molekyle, når dets vedhæftede kvantepunkt blinker.

Tidligere forsøg på at løse et kvantepunktsproblem havde en tendens til at gøre andre værre, Siger Chen. For eksempel, for at undertrykke den blinkende effekt, partikler blev lavet med tykke skaller, men dette eliminerede nogle af fordelene ved deres lille størrelse.

Den lille størrelse af disse nye prikker er vigtig for potentielle biologiske anvendelser, Bawendi forklarer. "[Vores] prikker er nogenlunde på størrelse med et proteinmolekyle, "siger han. Hvis du vil mærke noget i et biologisk system, han siger, Mærket skal være lille nok, så det ikke overvælder prøven eller forstyrrer dens adfærd væsentligt.

Quantum dots ses også som potentielt nyttige til at skabe energieffektive computer- og tv-skærme. Selvom sådanne displays er blevet produceret med eksisterende quantum-dot-teknologi, deres ydeevne kan forbedres ved brug af prikker med præcist kontrollerede farver og højere effektivitet.

Kombinerer fordelene

Så nyere forskning har fokuseret på "de egenskaber, vi virkelig har brug for for at forbedre [prikkernes] anvendelse som lysemitterende, "Bawendi siger - som er de egenskaber, som de nye resultater med succes har vist. De nye kvantepunkter, for første gang, han siger, "kombiner alle disse attributter, som folk synes er vigtige, på samme tid."

De nye partikler blev fremstillet med en kerne af halvledermateriale (cadmiumselenid) og tynde skaller af en anden halvleder (cadmiumsulfid). De viste meget høj emissionseffektivitet (97 procent) samt små, ensartet størrelse og smalle emissionstoppe. Blinkningen blev stærkt undertrykt, hvilket betyder, at prikkerne forbliver "på" 94 procent af tiden.

En nøglefaktor for at få disse partikler til at opnå alle de ønskede egenskaber var at dyrke dem langsomt i opløsning, så deres egenskaber kunne kontrolleres mere præcist, Chen forklarer. "En meget vigtig ting er syntesehastighed, " han siger, "at give nok tid til at lade hvert atom gå til det rigtige sted."

Den langsomme vækst bør gøre det let at skalere op til store produktionsmængder, han siger, fordi det gør det lettere at bruge store beholdere uden at miste kontrollen over partiklernes endelige størrelser. Chen forventer, at de første nyttige anvendelser af denne teknologi kunne begynde at dukke op inden for to år.

Taeghwan Hyeon, direktør for Center for Nanopartikelforskning ved Seoul National University i Korea, der ikke var involveret i denne forskning, siger, "Det er meget imponerende, fordi man bruger en tilsyneladende meget enkel tilgang - det vil sige vedligeholdelse af en langsom vækstrate - de var i stand til præcist at kontrollere skalletykkelse, gør dem i stand til at syntetisere meget ensartede og små kvantepunkter. "Dette arbejde, han siger, løser en af ​​de "centrale udfordringer" på dette område, og "kunne finde biomedicinske billeddannelsesapplikationer, og kan også bruges til solid-state belysning og displays. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.