Kvanteprikker med uigennemtrængelig skal:Et kraftfuldt værktøj til nanoteknik

Unikke optiske egenskaber ved kvanteprikker gør dem til et attraktivt værktøj til mange applikationer, fra banebrydende skærme til medicinsk billedbehandling. Fysisk, kemiske eller biologiske egenskaber ved kvanteprikker skal, imidlertid, tilpasses til specifikke anvendelser. Desværre, kvanteprikker fremstillet ved kemiske metoder ved brug af kobberbaserede klikreaktioner ødelægger kvanteprikkers evne til at udsende lys. Russiske videnskabsmænd har vist, imidlertid, at zinkoxid (ZnO) kvanteprikker fremstillet ved en ny metode, efter modifikation ved klikreaktion via kobberioner, fuldt ud bevarer deres evne til at udsende lys.

"Klikreaktioner katalyseret af kobberkationer har længe tiltrukket sig opmærksomhed fra kemikere, der beskæftiger sig med kvanteprikker. De eksperimentelle resultater, imidlertid, var skuffende:Efter ændring, luminescensen var så ringe, at de bare ikke var egnede til brug. Vi var de første til at demonstrere, at det er muligt at producere kvanteprikker fra organometalliske prækursorer, mens de bevarer deres værdifulde optiske egenskaber efter at være blevet udsat for kobberkatalyserede klikreaktioner, " siger prof. Janusz Lewinski (IPC PAS, FC WUT).

Kvanteprikker er krystallinske strukturer med få nanometer i størrelse. Som halvledermaterialer, de udviser en række interessante træk, der er typiske for kvanteobjekter, herunder at absorbere og udsende stråling ved en strengt defineret energi. Da atomer interagerer med lys på lignende måde, kvanteprikker kaldes ofte kunstige atomer. I nogle henseender, imidlertid, kvanteprikker er mere alsidige end atomer. Optiske egenskaber af hver prik afhænger faktisk af størrelsen og typen af ​​materiale, hvorfra de er dannet. Dette betyder, at kvanteprikker kan være præcist designet til specifikke applikationer.

For at tilpasse dem til specifikke applikationer, kvanteprikker skal skræddersyes med hensyn til fysisk-kemiske egenskaber. Til dette formål, kemiske molekyler med passende egenskaber er knyttet til deres overflade. På grund af enkelheden, effektivitet, og processens hastighed, en usædvanlig bekvem metode er klikreaktionen. Desværre, kobberion-klikreaktioner resulterer i den næsten fuldstændige quenching af kvanteprikkernes luminescens.

"Svigt er normalt et resultat af den utilstrækkelige kvalitet af kvanteprikker, som bestemmes af syntesemetoden. I øjeblikket, ZnO-prikker fremstilles hovedsageligt ved sol-gel-metoden fra uorganiske prækursorer. Kvanteprikker genereret på denne måde er belagt med en heterogen og sandsynligvis utæt beskyttende skal, lavet af forskellige slags kemiske molekyler. Under en klikreaktion, kobberionerne er i direkte kontakt med overfladen af ​​kvanteprikker og slukker prikkens luminescens, som bliver fuldstændig ubrugelig, " forklarer Dr. Agnieszka Grala (IPC PAS), den første forfatter til artiklen i Kemisk kommunikation tidsskrift.

For flere år, Prof. Lewinskis team har udviklet alternative metoder til fremstilling af højkvalitets ZnO kvanteprikker. Metoden præsenteret i dette papir giver kvanteprikker afledt af organozinkprækursorer. Sammensætningen af ​​nanopartiklerne kan programmeres på stadiet af prækursorforberedelse, som gør det muligt præcist at kontrollere karakteren af ​​deres organisk-uorganiske grænseflade.

"Nanopartikler fremstillet ved vores metode er krystallinske og har alle næsten samme størrelse. De er sfæriske og har karakteristika af typiske kvanteprikker. Hver nanopartikel er stabiliseret af en uigennemtrængelig beskyttelsesjakke, bygget af organiske forbindelser, stærkt forankret på overfladen af ​​halvlederkernen. Som resultat, vores kvanteprikker forbliver stabile i lang tid og aggregeres ikke - dvs. klumper sig sammen i opløsninger, " siger Malgorzata Wolska-Pietkiewicz, en ph.d.-studerende ved FC WUT.

"Nøglen til succes er at producere en ensartet stabiliserende skal. Sådanne belægninger er karakteristiske for ZnO-kvanteprikkerne opnået ved vores metode. Det organiske lag opfører sig som en tæt beskyttende paraply, der beskytter prikker mod direkte påvirkning af kobberionerne, " siger Dr. Grala og præciserer:"Vi udførte klikreaktion kendt som alkyn-azid cycloaddition, hvor vi brugte en kobber(l)forbindelse som katalysatorer. Efter funktionalisering, vores kvanteprikker skinnede lige så klart som i begyndelsen."

Kvanteprikker har flere anvendelser i forskellige industrielle processer og som nanomarkører i biologi og medicin, hvor de er kombineret med biologisk aktive molekyler. Nanoobjekter, der er funktionaliserede på denne måde, bruges til at mærke både individuelle celler såvel som hele væv. De unikke egenskaber ved kvanteprikker muliggør også langtidsovervågning af den mærkede vare. Almindeligt brugte kvanteprikker, imidlertid, indeholder giftige tungmetaller, inklusive cadmium. Ud over, de klumper sig sammen i opløsninger, hvilket understøtter tesen om den manglende tæthed af deres skaller. I mellemtiden ZnO-prikkerne produceret af Prof. Lewinskis gruppe er ikke-giftige, de samler sig ikke, og kan bindes til mange kemiske forbindelser, så de er mere velegnede til medicinsk diagnose og til billeddannelse af celler og væv.