Ingeniører udvikler en ny strategi til at designe bittesmå halvlederpartikler til vidtgående applikationer

Todimensionelle (2-D) overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) nanomaterialer såsom molybdenit (MoS ₂ ), som har en lignende struktur som grafen, er blevet iført fremtidens materialer for deres brede vifte af potentielle anvendelser inden for biomedicin, sensorer, katalysatorer, fotodetektorer og energilagringsenheder. Den mindre pendant til 2-D TMD'er, også kendt som TMD quantum dots (QD'er) fremhæver yderligere de optiske og elektroniske egenskaber af TMD'er, og er yderst anvendelige til katalytiske og biomedicinske anvendelser. Imidlertid, TMD QD'er bruges næsten ikke i applikationer, da syntesen af ​​TMD QD'er fortsat er udfordrende.

Nu, ingeniører fra National University of Singapore (NUS) har udviklet en omkostningseffektiv og skalerbar strategi til at syntetisere TMD QD'er. Den nye strategi gør det også muligt at konstruere egenskaberne af TMD QD'er specifikt til forskellige applikationer, derved tage et spring fremad i at hjælpe med at realisere potentialet i TMD QD'er.

Bottom-up-strategi til at syntetisere TMD QD'er

Nuværende syntese af TMD nanomaterialer er afhængig af en top-down tilgang, hvor TMD mineralmalme opsamles og nedbrydes fra millimeter til nanometer skala via fysiske eller kemiske midler. Denne metode, mens den er effektiv til at syntetisere TMD nanomaterialer med præcision, er lav i skalerbarhed og dyr, da adskillelse af fragmenter af nanomaterialer efter størrelse kræver flere oprensningsprocesser. Det er også ekstremt vanskeligt at bruge den samme metode til at producere TMD QD'er af ensartet størrelse på grund af deres minutstørrelse.

For at overkomme denne udfordring, et team af ingeniører fra Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik ved NUS Det Tekniske Fakultet udviklede en ny bottom-up syntesestrategi, der konsekvent kan konstruere TMD QD'er af en bestemt størrelse, en billigere og mere skalerbar metode end den konventionelle top-down tilgang. TMD QD'erne syntetiseres ved at reagere overgangsmetaloxider eller -chlorider med chalogenprækursorer under milde vandige og stuetemperaturforhold. Ved at bruge bottom-up tilgangen, holdet syntetiserede med succes et lille bibliotek med syv TMD QD'er og var i stand til at ændre deres elektroniske og optiske egenskaber i overensstemmelse hermed.

Lektor David Leong fra Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik ved NUS Det Tekniske Fakultet ledede udviklingen af ​​denne nye syntesemetode. Han forklarede, "At bruge bottom-up tilgangen til at syntetisere TMD QD'er er som at bygge en bygning fra bunden ved hjælp af beton, stål og glas komponent; det giver os fuld kontrol over bygningens design og funktioner. Tilsvarende denne bottom-up tilgang giver os mulighed for at variere forholdet mellem overgangsmetalioner og chalcogenioner i reaktionen for at syntetisere TMD QD'erne med de egenskaber, vi ønsker. Ud over, gennem vores bottom-up tilgang, vi er i stand til at syntetisere nye TMD QD'er, der ikke findes naturligt. De kan have nye egenskaber, der kan føre til nyere applikationer."

Anvendelse af TMD QD'er i kræftbehandling og videre

Holdet af NUS-ingeniører syntetiserede derefter MoS2 QD'er for at demonstrere proof-of-concept biomedicinske applikationer. Gennem deres eksperimenter, holdet viste, at defektegenskaberne ved MoS2 QD'er kan konstrueres med præcision ved hjælp af bottom-up tilgangen til at generere forskellige niveauer af oxidativ stress, og kan derfor bruges til fotodynamisk terapi, en ny kræftbehandling.

"Fotodynamisk terapi anvender i øjeblikket lysfølsomme organiske forbindelser, der producerer oxidativt stress til at dræbe kræftceller. Disse organiske forbindelser kan forblive i kroppen i et par dage, og patienter, der modtager denne form for fotodynamisk terapi, frarådes unødvendig eksponering for stærkt lys. TMD QD'er som f.eks. MoS2 QD'er kan tilbyde et sikrere alternativ til disse organiske forbindelser, da nogle overgangsmetaller som Mo i sig selv er essentielle mineraler og hurtigt kan metaboliseres efter den fotodynamiske behandling. Vi vil udføre yderligere test for at verificere dette." Associate Prof Leong tilføjede.

Potentialet ved TMD QD'er, imidlertid, går langt ud over blot biomedicinske anvendelser. Bevæger sig fremad, holdet arbejder på at udvide sit bibliotek af TMD QD'er ved hjælp af bottom-up strategien, og for at optimere dem til andre applikationer, såsom den næste generation af tv-skærme og elektroniske enheder, avancerede elektronikkomponenter og endda solceller.