Arrays von Quantenstäben könnten Fernseher oder Virtual-Reality-Geräte verbessern, wie Forschungen nahelegen.

11. August 2023

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von Massachusetts Institute of Technology

Flachbildfernseher, die Quantenpunkte enthalten, sind jetzt im Handel erhältlich, aber die Herstellung von Arrays ihrer langgestreckten Verwandten, den Quantenstäben, für kommerzielle Geräte war schwieriger. Quantenstäbe können sowohl die Polarisation als auch die Farbe des Lichts kontrollieren, um 3D-Bilder für Virtual-Reality-Geräte zu erzeugen.

Mit Hilfe von Gerüsten aus gefaltetem DNA haben MIT-Ingenieure eine neue Methode zur präzisen Montage von Quantenstäbchen-Arrays entwickelt. Indem sie Quantenstäbchen auf ein DNA-Gerüst in einer hochkontrollierten Art und Weise ablagern, können die Forscher deren Ausrichtung regulieren, was ein wesentlicher Faktor zur Bestimmung der Polarisation des von dem Array emittierten Lichts ist. Dadurch wird es einfacher, Tiefenwirkung und Dimensionalität in einer virtuellen Szene hinzuzufügen.

"Eine der Herausforderungen bei Quantenstäbchen lautet: Wie richtet man sie alle im Nanomaßstab so aus, dass sie alle in die gleiche Richtung zeigen?", sagt Mark Bathe, Professor für Biologietechnik am MIT und der Hauptautor der neuen Studie. "Wenn sie alle in die gleiche Richtung auf einer 2D-Oberfläche zeigen, dann haben sie alle die gleichen Eigenschaften, wie sie mit Licht interagieren und seine Polarisation steuern."

Die Hauptautoren des Papiers sind die MIT-Postdoktoranden Chi Chen und Xin Luo, das in Science Advances veröffentlicht wurde. Robert Macfarlane, Professor für Werkstoffwissenschaft und -technik, Alexander Kaplan Ph.D. und Moungi Bawendi, der Lester Wolfe-Professor für Chemie, sind ebenfalls Autoren der Studie.

Bathe und andere haben in den letzten 15 Jahren die Konstruktion und Herstellung von Nanometerstrukturen aus DNA, auch bekannt als DNA-Origami, maßgeblich vorangetrieben. DNA, ein hochstabiles und programmierbares Molekül, ist ein ideales Baumaterial für winzige Strukturen, die für verschiedene Anwendungen wie die Arzneimittelabgabe, die Verwendung als Biosensoren oder die Bildung von Gerüsten für lichterzeugende Materialien verwendet werden können.

Bathes Labor hat berechenbare Methoden entwickelt, mit denen Forscher einfach eine gewünschte nanoskalige Form eingeben können, die das Programm dann in die richtigen DNA-Sequenzen umrechnet, die sich zu der gewünschten Form selbst zusammenfügen. Zudem haben sie skalierbare Fertigungsmethoden entwickelt, die Quantenpunkte in diese auf DNA basierenden Materialien integrieren.

In einer in 2022 veröffentlichten Arbeit zeigten Bathe und Chen, dass sie DNA verwenden können, um Quantenpunkte in genauen Positionen mithilfe von skalierbarer biologischer Fertigung zu verbinden. Aufbauend auf dieser Arbeit schlossen sie sich mit Macfarlanes Labor zusammen, um die Herausforderung der Anordnung von Quantenstäben zu 2D-Arrays anzugehen, was schwieriger ist, da die Stäbe in die gleiche Richtung ausgerichtet sein müssen.

Bestehende Ansätze, die ausgerichtete Arrays von Quantenstäben mithilfe mechanischen Reibens mit einem Stoff oder einem elektrischen Feld erzeugen, um die Stäbe in eine Richtung zu bewegen, waren nur teilweise erfolgreich. Dies liegt daran, dass für eine hocheffiziente Lichtemission die Stäbe mindestens 10 Nanometer voneinander entfernt gehalten werden müssen, um die Lichtabstrahlungsaktivität ihrer Nachbarn nicht zu "löschen" oder zu unterdrücken.

Um dies zu erreichen, haben die Forscher eine Methode entwickelt, um Quantenstäbe an diamantförmige DNA-Origami-Strukturen zu befestigen, die in der richtigen Größe hergestellt werden können, um diese Entfernung beizubehalten. Diese DNA-Strukturen werden dann an einer Oberfläche befestigt, wo sie wie Puzzlestücke zusammenpassen.

"Die Quantenstäbe befinden sich in derselben Richtung auf dem Origami, sodass Sie jetzt alle diese Quantenstäbe selbstorganisiert auf 2D-Oberflächen gemustert haben, und das können Sie über den Mikrometermaßstab tun, der für verschiedene Anwendungen wie Mikro-LEDs erforderlich ist", sagt Bathe. "Sie können sie in spezifischen Richtungen ausrichten, die steuerbar sind und sie gut voneinander trennen, weil die Origamis verpackt sind und natürlich wie Puzzleteile zusammenpassen würden."

Als ersten Schritt, um diesen Ansatz zum Funktionieren zu bringen, mussten die Forscher einen Weg finden, um DNA-Stränge an den Quantenstäben zu befestigen. Dazu entwickelte Chen einen Prozess, der darin besteht, DNA in einer Mischung mit den Quantenstäben zu emulgieren und die Mischung dann schnell zu dehydrieren, wodurch die DNA-Moleküle eine dichte Schicht auf der Oberfläche der Stäbe bilden können.

Dieser Prozess dauert nur wenige Minuten, viel schneller als jede vorhandene Methode zur Befestigung von DNA an Nanopartikeln, was für die kommerzielle Anwendung entscheidend sein kann.

'The unique aspect of this method lies in its near-universal applicability to any water-loving ligand with affinity to the nanoparticle surface, allowing them to be instantly pushed onto the surface of the nanoscale particles. By harnessing this method, we achieved a significant reduction in manufacturing time from several days to just a few minutes,' Chen says.

These DNA strands then act like Velcro, helping the quantum rods stick to a DNA origami template, which forms a thin film that coats a silicate surface. This thin film of DNA is first formed via self-assembly by joining neighboring DNA templates together via overhanging strands of DNA along their edges.

The researchers now hope to create wafer-scale surfaces with etched patterns, which could allow them to scale their design to device-scale arrangements of quantum rods for numerous applications, beyond only microLEDs or augmented reality/virtual reality.

'The method that we describe in this paper is great because it provides good spatial and orientational control of how the quantum rods are positioned. The next steps are going to be making arrays that are more hierarchical, with programmed structure at many different length scales. The ability to control the sizes, shapes, and placement of these quantum rod arrays is a gateway to all sorts of different electronics applications,' Macfarlane says.

'DNA is particularly attractive as a manufacturing material because it can be biologically produced, which is both scalable and sustainable, in line with the emerging U.S. bioeconomy. Translating this work towards commercial devices by solving several remaining bottlenecks, including switching to environmentally safe quantum rods, is what we're focused on next,' Bathe adds.

Journal information: Science Advances

Provided by Massachusetts Institute of Technology