Arrays af kvantestænger kunne forbedre tv'er eller virtual reality-enheder, tyder forskning

Fladskærms-tv'er, der inkorporerer kvanteprikker, er nu kommercielt tilgængelige, men det har været sværere at skabe arrays af deres aflange fætre, kvantestænger, til kommercielle enheder. Kvantestænger kan styre både lysets polarisering og farve for at generere 3D-billeder til virtual reality-enheder.

Ved hjælp af stilladser lavet af foldet DNA har MIT-ingeniører fundet på en ny måde at præcist samle arrays af kvantestænger. Ved at deponere kvantestænger på et DNA-stillads på en meget kontrolleret måde kan forskerne regulere deres orientering, hvilket er en nøglefaktor for at bestemme polariseringen af ​​lys, der udsendes af arrayet. Dette gør det nemmere at tilføje dybde og dimensionalitet til en virtuel scene.

"En af udfordringerne med kvantestænger er:Hvordan justerer du dem alle på nanoskalaen, så de alle peger i samme retning?" siger Mark Bathe, en MIT-professor i biologisk ingeniørvidenskab og seniorforfatter af den nye undersøgelse. "Når de alle peger i samme retning på en 2D-overflade, så har de alle de samme egenskaber for, hvordan de interagerer med lys og styrer dets polarisering."

MIT postdocs Chi Chen og Xin Luo er hovedforfatterne af papiret, som udkom i Science Advances . Robert Macfarlane, en lektor i materialevidenskab og teknik; Alexander Kaplan Ph.D. og Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi, er også forfattere til undersøgelsen.

Nanoskalastrukturer

I løbet af de sidste 15 år har Bathe og andre ledet i design og fremstilling af strukturer i nanoskala lavet af DNA, også kendt som DNA-origami. DNA, et meget stabilt og programmerbart molekyle, er et ideelt byggemateriale til bittesmå strukturer, der kan bruges til en række forskellige anvendelser, herunder levering af lægemidler, fungerer som biosensorer eller dannelse af stilladser til materialer, der høster lys.

Bathes laboratorium har udviklet beregningsmetoder, der gør det muligt for forskere blot at indtaste en mål-nanoskala-form, de ønsker at skabe, og programmet vil beregne sekvenserne af DNA, der selv samler sig i den rigtige form. De udviklede også skalerbare fremstillingsmetoder, der inkorporerer kvanteprikker i disse DNA-baserede materialer.

I et papir fra 2022 viste Bathe og Chen, at de kunne bruge DNA til at stilladsere kvanteprikker i præcise positioner ved hjælp af skalerbar biologisk fremstilling. Med udgangspunkt i dette arbejde slog de sig sammen med Macfarlanes laboratorium for at tackle udfordringen med at arrangere kvantestænger i 2D-arrays, hvilket er vanskeligere, fordi stængerne skal justeres i samme retning.

Eksisterende tilgange, der skaber afstemte arrays af kvantestænger ved hjælp af mekanisk gnidning med et stof eller et elektrisk felt til at feje stængerne i én retning, har kun haft begrænset succes. Dette skyldes, at højeffektiv lysemission kræver, at stængerne holdes mindst 10 nanometer fra hinanden, så de ikke vil "slukke" eller undertrykke deres naboers lysemitterende aktivitet.

For at opnå det udtænkte forskerne en måde at fastgøre kvantestænger til diamantformede DNA-origami-strukturer, som kan bygges i den rigtige størrelse for at bevare denne afstand. Disse DNA-strukturer fæstnes derefter til en overflade, hvor de passer sammen som puslespilsbrikker.

"Kvantestængerne sidder på origamien i samme retning, så nu har du mønstret alle disse kvantestænger gennem selvsamling på 2D-overflader, og du kan gøre det over den mikronskala, der er nødvendig til forskellige applikationer som mikroLED'er," siger Bathe. "Du kan orientere dem i bestemte retninger, der er kontrollerbare og holde dem godt adskilt, fordi origamierne er pakket og naturligt passer sammen, som puslespilsbrikker ville."

Samling af puslespillet

Som det første skridt i at få denne tilgang til at virke, måtte forskerne finde på en måde at fastgøre DNA-strenge til kvantestængerne. For at gøre det udviklede Chen en proces, der involverer emulgering af DNA til en blanding med kvantestængerne og derefter hurtigt dehydrering af blandingen, hvilket tillader DNA-molekylerne at danne et tæt lag på overfladen af ​​stavene.

Denne proces tager kun et par minutter, meget hurtigere end nogen eksisterende metode til at binde DNA til partikler i nanoskala, hvilket kan være nøglen til at muliggøre kommercielle applikationer.

"Det unikke aspekt ved denne metode ligger i dens næsten universelle anvendelighed på enhver vandelskende ligand med affinitet til nanopartikeloverfladen, hvilket gør det muligt for dem øjeblikkeligt at blive skubbet ind på overfladen af ​​nanoskala-partiklerne. Ved at udnytte denne metode opnåede vi en betydelig reduktion i fremstillingstid fra flere dage til blot et par minutter," siger Chen.

Disse DNA-strenge fungerer derefter som velcro, og hjælper kvantestængerne med at holde sig til en DNA-origami-skabelon, som danner en tynd film, der dækker en silikatoverflade. Denne tynde film af DNA dannes først via selvsamling ved at forbinde tilstødende DNA-skabeloner sammen via overhængende DNA-strenge langs deres kanter.

Forskerne håber nu at skabe overflader i wafer-skala med ætsede mønstre, som kunne give dem mulighed for at skalere deres design til enhedsskala-arrangementer af kvantestænger til adskillige applikationer, ud over kun mikroLED'er eller augmented reality/virtuel virkelighed.

"Den metode, som vi beskriver i dette papir, er fantastisk, fordi den giver god rumlig og orienteringsmæssig kontrol over, hvordan kvantestængerne er placeret. De næste trin bliver at lave arrays, der er mere hierarkiske, med programmeret struktur i mange forskellige længdeskalaer. Evnen til at kontrollere størrelserne, formerne og placeringen af ​​disse kvantestavarrays er en gateway til alle mulige forskellige elektronikapplikationer," siger Macfarlane.

"DNA er særligt attraktivt som fremstillingsmateriale, fordi det kan fremstilles biologisk, hvilket er både skalerbart og bæredygtigt, i tråd med den nye amerikanske bioøkonomi. At oversætte dette arbejde til kommercielle enheder ved at løse flere resterende flaskehalse, herunder at skifte til miljøsikre kvantestænger , er det, vi fokuserer på næste gang," tilføjer Bathe.

Flere oplysninger: Chi Chen et al., Ultrahurtig tæt DNA-funktionalisering af kvanteprikker og stænger til skalerbar 2D-array-fremstilling med præcision i nanoskala, videnskabelige fremskridt (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh8508. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8508

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Massachusetts Institute of Technology