Gli array di nanostanghe quantistiche potrebbero migliorare televisori o dispositivi di realtà virtuale, come suggerisce la ricerca.

11 agosto 2023

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da Massachusetts Institute of Technology

I televisori a schermo piatto che incorporano i punti quantici sono ora disponibili commercialmente, ma è stato più difficile creare array dei loro cugini allungati, le barre quantistiche, per dispositivi commerciali. Le barre quantistiche possono controllare sia la polarizzazione che il colore della luce, per generare immagini 3D per dispositivi di realtà virtuale.

Utilizzando supporti realizzati con DNA piegato, gli ingegneri del MIT hanno trovato un nuovo modo per assemblare precisamente array di barre quantistiche. Depositando le barre quantistiche su un supporto di DNA in modo altamente controllato, i ricercatori possono regolarne l'orientamento, che è un fattore chiave per determinare la polarizzazione della luce emessa dall'array. Questo rende più facile aggiungere profondità e tridimensionalità a una scena virtuale.

"Una delle sfide con le barre quantistiche è: come le allinei tutte a livello nanoscale in modo che puntino tutte nella stessa direzione?" dice Mark Bathe, professore di ingegneria biologica al MIT e autore principale del nuovo studio. "Quando puntano tutte nella stessa direzione su una superficie 2D, hanno tutte le stesse proprietà di come interagiscono con la luce e ne controllano la polarizzazione."

I dottorandi del MIT Chi Chen e Xin Luo sono gli autori principali del paper, pubblicato in Science Advances. Robert Macfarlane, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali; Alexander Kaplan Ph.D. e Moungi Bawendi, professore di chimica Lester Wolfe, sono anche autori dello studio.

Negli ultimi 15 anni, Bathe e altri hanno guidato nel design e nella fabbricazione di strutture nanoscala fatte di DNA, conosciute anche come origami di DNA. Il DNA, una molecola altamente stabile e programmabile, è un materiale da costruzione ideale per strutture piccolissime che potrebbero essere utilizzate per una varietà di applicazioni, tra cui la somministrazione di farmaci, l'uso come biosensori o la formazione di strutture per materiali che assorbono la luce.

Il laboratorio di Bathe ha sviluppato metodi computazionali che consentono ai ricercatori di inserire semplicemente una forma nanoscala di destinazione che si desidera creare e il programma calcolerà le sequenze di DNA che si assembleranno automaticamente nella forma corretta. Hanno anche sviluppato metodi di fabbricazione scalabili che incorporano punti quantici in questi materiali a base di DNA.

In un articolo del 2022, Bathe e Chen hanno dimostrato di poter utilizzare il DNA come supporto per i punti quantici in posizioni precise utilizzando una fabbricazione biologica scalabile. Basandosi su quel lavoro, si sono uniti al laboratorio di Macfarlane per affrontare la sfida di organizzare le barre quantistiche in array 2D, che è più difficile perché le barre devono essere allineate nella stessa direzione.

Le approcci esistenti che creano array allineati di barre quantistiche utilizzando una sfregatura meccanica con un tessuto o un campo elettrico per spostare le barre in una direzione hanno avuto solo un successo limitato. Questo perché l'emissione di luce ad alta efficienza richiede che le barre siano tenute ad almeno 10 nanometri l'una dall'altra, in modo che non "sopprimano" o reprimano l'attività di emissione di luce dei loro vicini.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno ideato un modo per attaccare le barre quantistiche a strutture di origami di DNA a forma di diamante, che possono essere costruite delle dimensioni giuste per mantenere quella distanza. Queste strutture di DNA sono poi attaccate a una superficie, dove si incastrano come pezzi di un puzzle.

"Le barre quantistiche si trovano sull'origami nella stessa direzione, quindi ora hai modellato tutte queste barre quantistiche attraverso l'auto-assemblaggio su superfici 2D, e puoi farlo su una scala micron necessaria per diverse applicazioni come microLED", afferma Bathe. "Puoi orientarle in direzioni specifiche che sono controllabili e mantenerle ben separate perché gli origami sono compatti e si incastrano naturalmente, come pezzi di un puzzle farebbero."

Come primo passo per far funzionare questo approccio, i ricercatori hanno dovuto trovare un modo per attaccare filamenti di DNA alle barre quantistiche. Per farlo, Chen ha sviluppato un processo che prevede l'emulsionare il DNA in una miscela con le barre quantistiche, quindi disidratare rapidamente la miscela, consentendo alle molecole di DNA di formare uno strato denso sulla superficie delle barre.

Questo processo richiede solo pochi minuti, molto più veloce di qualsiasi altro metodo esistente per attaccare il DNA a particelle nanoscala, il che potrebbe essere fondamentale per abilitare applicazioni commerciali.

'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