Los arreglos de varillas cuánticas podrían mejorar los televisores o los dispositivos de realidad virtual, sugiere la investigación.

11 de agosto de 2023

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por el Instituto de Tecnología de Massachusetts

Los televisores de pantalla plana que incorporan puntos cuánticos ahora están disponibles comercialmente, pero ha sido más difícil crear matrices de sus primos alargados, las varillas cuánticas, para dispositivos comerciales. Las varillas cuánticas pueden controlar tanto la polarización como el color de la luz, para generar imágenes 3D para dispositivos de realidad virtual.

Utilizando andamiajes hechos de ADN plegado, los ingenieros del MIT han encontrado una nueva forma de ensamblar de manera precisa matrices de varillas cuánticas. Al depositar varillas cuánticas sobre un andamiaje de ADN de manera altamente controlada, los investigadores pueden regular su orientación, lo cual es un factor clave para determinar la polarización de la luz emitida por la matriz. Esto facilita agregar profundidad y dimensionalidad a una escena virtual.

'Uno de los desafíos con las varillas cuánticas es: ¿Cómo las alineas a todas a escala nanométrica para que todas apunten en la misma dirección?', dice Mark Bathe, profesor de ingeniería biológica del MIT y autor principal del nuevo estudio. 'Cuando todas apuntan en la misma dirección en una superficie 2D, entonces todas tienen las mismas propiedades de cómo interactúan con la luz y controlan su polarización'.

Los posdoctorados del MIT Chi Chen y Xin Luo son los autores principales del artículo, que apareció en Science Advances. Robert Macfarlane, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales; Alexander Kaplan y Moungi Bawendi, profesores de química, también son autores del estudio.

En los últimos 15 años, Bathe y otros han liderado el diseño y la fabricación de estructuras a escala nanométrica hechas de ADN, también conocidas como ADN origami. El ADN, una molécula altamente estable y programable, es un material de construcción ideal para estructuras diminutas que podrían usarse para una variedad de aplicaciones, incluyendo la entrega de medicamentos, actuando como biosensores o formando andamios para materiales de captación de luz.

El laboratorio de Bathe ha desarrollado métodos computacionales que permiten a los investigadores simplemente ingresar una forma nanométrica objetivo que desean crear, y el programa calculará las secuencias de ADN que se autoensamblarán en la forma correcta. También han desarrollado métodos de fabricación escalables que incorporan puntos cuánticos en estos materiales basados en ADN.

En un artículo de 2022, Bathe y Chen demostraron que podían usar ADN para encajar puntos cuánticos en posiciones precisas utilizando una fabricación biológica escalable. Sobre la base de ese trabajo, se asociaron con el laboratorio de Macfarlane para enfrentar el desafío de organizar varillas cuánticas en matrices 2D, lo cual es más difícil porque las varillas deben alinearse en la misma dirección.

Los enfoques existentes que crean matrices alineadas de varillas cuánticas utilizando frotamiento mecánico con una tela o un campo eléctrico para barrer las varillas en una dirección solo han tenido éxito limitado. Esto se debe a que la emisión de luz de alta eficiencia requiere que las varillas se mantengan al menos a 10 nanómetros de distancia entre sí, para que no 'apaguen' o supriman la actividad de emisión de luz de sus vecinas.

Para lograrlo, los investigadores idearon una forma de unir varillas cuánticas a estructuras de ADN en forma de rombo, que pueden construirse del tamaño adecuado para mantener esa distancia. Estas estructuras de ADN se unen a una superficie, donde encajan como piezas de un rompecabezas.

'Las varillas cuánticas se colocan sobre el origami en la misma dirección, por lo que ahora has patroneado todas estas varillas cuánticas mediante autoensamblaje en superficies 2D, y puedes hacerlo en la escala de micrones necesaria para diferentes aplicaciones como microLEDs', dice Bathe. 'Puedes orientarlas en direcciones específicas que son controlables y mantenerlas bien separadas porque los origamis están empaquetados y encajan naturalmente, como piezas de un rompecabezas'.

Como primer paso para que este enfoque funcione, los investigadores tuvieron que idear una forma de unir hebras de ADN a las varillas cuánticas. Para hacerlo, Chen desarrolló un proceso que implica emulsionar ADN en una mezcla con las varillas cuánticas, luego deshidratar rápidamente la mezcla, lo que permite que las moléculas de ADN formen una capa densa en la superficie de las varillas.

Este proceso toma solo unos minutos, mucho más rápido que cualquier método existente para unir ADN a partículas nanométricas, lo cual puede ser clave para permitir aplicaciones comerciales.

'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