Telewizory z płaskim ekranem zawierające kropki kwantowe są obecnie dostępne na rynku, ale trudniej było stworzyć układy ich wydłużonych kuzynów, prętów kwantowych, do urządzeń komercyjnych. Pręty kwantowe mogą kontrolować zarówno polaryzację, jak i kolor światła, aby generować obrazy 3D dla urządzeń wirtualnej rzeczywistości.
Wykorzystując rusztowania wykonane ze złożonego DNA, inżynierowie z MIT opracowali nowy sposób precyzyjnego składania macierzy prętów kwantowych. Umieszczając pręty kwantowe na rusztowaniu DNA w ściśle kontrolowany sposób, naukowcy mogą regulować ich orientację, co jest kluczowym czynnikiem przy określaniu polaryzacji światła emitowanego przez układ. Ułatwia to dodawanie głębi i wymiarowości do wirtualnej sceny.
„Jednym z wyzwań związanych z prętami kwantowymi jest: jak ustawić je wszystkie w nanoskali, aby wszystkie wskazywały ten sam kierunek?” mówi Mark Bathe, profesor inżynierii biologicznej MIT i główny autor nowego badania. „Kiedy wszystkie wskazują ten sam kierunek na powierzchni 2D, wszystkie mają te same właściwości interakcji ze światłem i kontrolowania jego polaryzacji”.
Chi Chen i Xin Luo, doktoranci z MIT, są głównymi autorami artykułu, który ukazał się dzisiaj w Science Advances. Robert Macfarlane, profesor nadzwyczajny inżynierii materiałowej; dr Aleksander Kaplan ’23; oraz Moungi Bawendi, profesor chemii Lester Wolfe, są również autorami badania.
Struktury w nanoskali
W ciągu ostatnich 15 lat Bathe i inni przewodzili w projektowaniu i wytwarzaniu nanoskalowych struktur wykonanych z DNA, znanych również jako DNA origami. DNA, wysoce stabilna i programowalna cząsteczka, jest idealnym materiałem budulcowym dla niewielkich struktur, które można wykorzystać do różnych zastosowań, w tym do dostarczania leków, działania jako bioczujniki lub tworzenia rusztowań dla materiałów zbierających światło.
Laboratorium Bathe opracowało metody obliczeniowe, które pozwalają naukowcom po prostu wprowadzić docelowy kształt w nanoskali, który chcą stworzyć, a program obliczy sekwencje DNA, które same ułożą się we właściwy kształt. Opracowali także skalowalne metody wytwarzania, które włączają kropki kwantowe do tych materiałów opartych na DNA.
W artykule z 2022 roku Bathe i Chen wykazali, że mogą użyć DNA do rusztowania kropek kwantowych w precyzyjnych pozycjach przy użyciu skalowalnej produkcji biologicznej. Opierając się na tej pracy, połączyli siły z laboratorium Macfarlane’a, aby stawić czoła wyzwaniu ułożenia prętów kwantowych w układy 2D, co jest trudniejsze, ponieważ pręty muszą być ustawione w tym samym kierunku.
Istniejące podejścia, które tworzą wyrównane układy prętów kwantowych za pomocą mechanicznego pocierania tkaniną lub polem elektrycznym w celu zamiatania prętów w jednym kierunku, odniosły jedynie ograniczony sukces. Dzieje się tak dlatego, że wysokowydajna emisja światła wymaga, aby pręty znajdowały się w odległości co najmniej 10 nanometrów od siebie, aby nie „gasiły” ani nie tłumiły aktywności emitującej światło swoich sąsiadów.
Aby to osiągnąć, naukowcy opracowali sposób mocowania prętów kwantowych do struktur origami DNA w kształcie rombu, które można zbudować w odpowiedniej wielkości, aby zachować tę odległość. Te struktury DNA są następnie przyczepiane do powierzchni, gdzie pasują do siebie jak kawałki układanki.
“Pręty kwantowe siedzą na origami w tym samym kierunku, więc teraz ułożyłeś wszystkie te pręty kwantowe poprzez samoorganizację na powierzchniach 2D i możesz to zrobić w skali mikronowej potrzebnej do różnych zastosowań, takich jak mikroLED” – mówi Bathe. „Możesz ustawić je w określonych kierunkach, które można kontrolować, i dobrze je oddzielić, ponieważ origami są spakowane i naturalnie pasują do siebie, tak jak kawałki puzzli”.
Składanie puzzli
Jako pierwszy krok na drodze do zastosowania tego podejścia, naukowcy musieli wymyślić sposób mocowania nici DNA do prętów kwantowych. Aby to zrobić, Chen opracował proces, który obejmuje emulgowanie DNA w mieszaninie z prętami kwantowymi, a następnie szybkie odwodnienie mieszaniny, co pozwala cząsteczkom DNA na utworzenie gęstej warstwy na powierzchni prętów.
Ten proces zajmuje tylko kilka minut, znacznie szybciej niż jakakolwiek istniejąca metoda przyłączania DNA do nanocząstek, co może mieć kluczowe znaczenie dla zastosowań komercyjnych.
„Wyjątkowy aspekt tej metody polega na jej niemal uniwersalnym zastosowaniu do dowolnego ligandu kochającego wodę z powinowactwem do powierzchni nanocząstek, co pozwala na natychmiastowe wypychanie ich na powierzchnię nanocząstek. Wykorzystując tę metodę, osiągnęliśmy znaczący skrócenie czasu produkcji z kilku dni do zaledwie kilku minut” — mówi Chen.
Te nici DNA działają następnie jak rzepy, pomagając prętom kwantowym przykleić się do szablonu origami DNA, który tworzy cienką warstwę pokrywającą powierzchnię krzemianu. Ta cienka warstwa DNA jest najpierw tworzona przez samoorganizację poprzez łączenie sąsiednich szablonów DNA za pomocą wystających nici DNA wzdłuż ich krawędzi.
Naukowcy mają teraz nadzieję na stworzenie powierzchni w skali płytki z wytrawionymi wzorami, co pozwoliłoby im skalować swój projekt do układów prętów kwantowych w skali urządzenia do wielu zastosowań, wykraczających poza tylko mikroLED lub rzeczywistość rozszerzoną / rzeczywistość wirtualną.
„Metoda opisana w tym artykule jest świetna, ponieważ zapewnia dobrą przestrzenną i orientacyjną kontrolę nad położeniem prętów kwantowych. Następnym krokiem będzie tworzenie tablic, które będą bardziej hierarchiczne, z zaprogramowaną strukturą w wielu różnych skalach długości. Możliwość kontrolowania rozmiarów, kształtów i rozmieszczenia tych układów prętów kwantowych jest bramą do wszelkiego rodzaju różnych zastosowań elektronicznych “- mówi Macfarlane.
„DNA jest szczególnie atrakcyjny jako materiał produkcyjny, ponieważ może być produkowany biologicznie, co jest zarówno skalowalne, jak i zrównoważone, zgodnie z powstającą biogospodarką USA. Przełożenie tej pracy na urządzenia komercyjne poprzez rozwiązanie kilku pozostałych wąskich gardeł, w tym przejście na bezpieczne dla środowiska pręty kwantowe , na czym się teraz skupimy” — dodaje Bathe.
Badania zostały sfinansowane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej, Narodową Fundację Nauki, Biuro Badań Armii, Departament Energii oraz Narodowy Instytut Nauk o Zdrowiu Środowiskowym.