Les recherches suggèrent que les matrices de tiges quantiques pourraient améliorer les téléviseurs ou les appareils de réalité virtuelle.

11 août 2023

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par le Massachusetts Institute of Technology

Des téléviseurs à écran plat intégrant des points quantiques sont désormais disponibles commercialement, mais il est plus difficile de créer des réseaux de leurs cousins allongés, les tiges quantiques, pour des appareils commerciaux. Les tiges quantiques peuvent contrôler à la fois la polarisation et la couleur de la lumière, pour générer des images 3D pour les appareils de réalité virtuelle.

En utilisant des échafaudages en ADN plié, les ingénieurs du MIT ont mis au point une nouvelle méthode pour assembler précisément des réseaux de tiges quantiques. En déposant des tiges quantiques sur un échafaudage en ADN de manière hautement contrôlée, les chercheurs peuvent réguler leur orientation, ce qui est un facteur clé pour déterminer la polarisation de la lumière émise par le réseau. Cela facilite l'ajout de profondeur et de dimension à une scène virtuelle.

"L'un des défis avec les tiges quantiques est : comment les aligner tous à l'échelle nanométrique de manière à ce qu'ils soient tous orientés dans la même direction ?" explique Mark Bathe, professeur de génie biologique au MIT et auteur principal de cette nouvelle étude. "Lorsqu'ils sont tous orientés dans la même direction sur une surface en 2D, alors ils ont tous les mêmes propriétés en termes d'interaction avec la lumière et de contrôle de sa polarisation."

Les chercheurs postdoctoraux du MIT, Chi Chen et Xin Luo, sont les principaux auteurs de l'article paru dans Science Advances. Robert Macfarlane, professeur agrégé en science des matériaux et en génie; Alexander Kaplan Ph.D. et Moungi Bawendi, professeur Lester Wolfe de chimie, sont également auteurs de l'étude.

Au cours des 15 dernières années, Bathe et d'autres ont été à l'avant-garde de la conception et de la fabrication de structures nanométriques en ADN, également connues sous le nom d'origami ADN. L'ADN, une molécule hautement stable et programmable, est un matériau de construction idéal pour de petites structures pouvant être utilisées dans diverses applications, telles que la délivrance de médicaments, l'utilisation en tant que biosenseurs ou la formation d'échafaudages pour des matériaux absorbant la lumière.

Le laboratoire de Bathe a développé des méthodes informatiques qui permettent aux chercheurs d'entrer simplement une forme nanométrique cible qu'ils souhaitent créer, et le programme calculera les séquences d'ADN qui s'auto-assembleront dans la forme appropriée. Ils ont également développé des méthodes de fabrication à grande échelle qui intègrent des points quantiques dans ces matériaux à base d'ADN.

Dans un article de 2022, Bathe et Chen ont montré qu'ils pouvaient utiliser l'ADN pour échafauder des points quantiques à des positions précises grâce à une fabrication biologique évolutive. S'appuyant sur ce travail, ils se sont associés au laboratoire de Macfarlane pour relever le défi d'arranger des tiges quantiques en réseaux 2D, ce qui est plus difficile car les tiges doivent être alignées dans la même direction.

Les approches actuelles qui permettent de créer des réseaux alignés de tiges quantiques en utilisant un frottement mécanique avec un tissu ou un champ électrique pour orienter les tiges n'ont connu qu'un succès limité. En effet, une émission de lumière à haute efficacité nécessite que les tiges soient maintenues à au moins 10 nanomètres les unes des autres, afin qu'elles n'étouffent pas l'activité d'émission de lumière de leurs voisines.

Pour y parvenir, les chercheurs ont mis au point un moyen d'attacher des tiges quantiques à des structures en origami ADN en forme de losange, qui peuvent être construites à la bonne taille pour maintenir cette distance. Ces structures en ADN sont ensuite fixées à une surface, où elles s'emboîtent comme des pièces de puzzle.

"Les tiges quantiques reposent sur l'origami dans la même direction, ce qui vous permet de structurer tous ces réseaux de tiges quantiques par auto-assemblage sur des surfaces 2D, et vous pouvez le faire à l'échelle du micron nécessaire pour différentes applications comme les microLEDs", explique bathe. "Vous pouvez les orienter dans des directions spécifiques qui sont contrôlables et les maintenir bien séparées car les origamis sont emballés et s'emboîtent naturellement, comme des pièces de puzzle."

Pour que cette approche fonctionne, les chercheurs ont d'abord dû trouver un moyen d'attacher des brins d'ADN aux tiges quantiques. Pour ce faire, Chen a mis au point un processus qui consiste à émulsionner l'ADN dans un mélange avec les tiges quantiques, puis à déshydrater rapidement le mélange, ce qui permet aux molécules d'ADN de former une couche dense à la surface des tiges.

Ce processus ne prend que quelques minutes, beaucoup plus rapide que toute méthode existante pour attacher de l'ADN à des particules nanométriques, ce qui pourrait être essentiel pour permettre des applications commerciales.

'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