Monitoraggio innovativo dei Quantum Dot: Insight in tempo reale sulla crescita delle nanoparticelle

I quantum dots di tellururo di cadmio (CdTe) di diverse dimensioni emettono luce in risposta all'eccitazione da parte di un laser UV. Credito: Pedro Felipe Garcia Martins da Costa

La luminescenza è il risultato di un processo in cui un oggetto assorbe luce a una lunghezza d'onda e la riemette a una lunghezza d'onda diversa. Durante questo processo, gli elettroni nello stato fondamentale del materiale assorbono la luce e diventano eccitati a uno stato di energia superiore. Dopo un periodo specifico, unico per ogni stato eccitato, gli elettroni tornano a stati energetici inferiori, inclusi lo stato fondamentale, ed emettono luce. Questo fenomeno viene utilizzato in una vasta gamma di applicazioni tecnologiche, coinvolgendo dispositivi emittenti altamente efficienti e riproducibili che possono essere facilmente miniaturizzati.

I materiali con la maggiore efficienza di luminescenza includono i quantum dots (QDs), attualmente utilizzati in display ad alta risoluzione, LED, pannelli solari e sensori di vario tipo, come quelli utilizzati per l'imaging medico di precisione. La funzionalizzazione della superficie dei QDs con vari tipi di molecole consente l'interazione con strutture cellulari o altre molecole di interesse allo scopo di studiare processi biologici a livello molecolare.

I QDs sono nanoparticelle semiconduttrici le cui caratteristiche emissive sono direttamente legate alla dimensione del punto, grazie al fenomeno del confinamento quantico. Per questo motivo, il monitoraggio e il controllo della crescita cristallina durante la sintesi dei QDs in soluzione permette la pianificazione intelligente della luminescenza desiderata. In un articolo pubblicato sulla rivista Scientific Reports, i ricercatori guidati da Andrea de Camargo, professore presso l'Istituto di Fisica di São Carlos (IFSC-USP) dell'Università di São Paulo in Brasile, e collaboratori presso l'Università di Kiel in Germania presentano un nuovo approccio al monitoraggio della formazione dei QD.

"Abbiamo utilizzato il tellururo di cadmio [CdTe] come sistema di modello e controllato la crescita delle nanoparticelle in una soluzione acquosa riscaldata tramite analisi di luminescenza in situ", afferma Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, dottorando presso l'IFSC-USP e primo autore dell'articolo.

La tecnica consente agli scienziati di vedere cosa succede nella soluzione in tempo reale senza influenzare la sintesi dei QD, così da poter monitorare la crescita cristallina osservando il colore (lunghezza d'onda) della luce emessa. "I QDs sono sintetizzati mescolando soluzioni precursori di cadmio (Cd2+) e tellurio (Te2-) in presenza di un reagente di controllo della dimensione. La temperatura viene aumentata e la reazione chimica ha inizio tramite clustering di ioni tellurio e cadmio. Man mano che la reazione procede, ulteriori unità di CdTe si uniscono alla sfera del cluster in un processo noto come auto-assemblaggio. La dimensione delle nanoparticelle può essere stimata grazie al monitoraggio rapido e preciso delle frequenze di emissione. I QDs di CdTe con un diametro di 1-2 nanometri [nm] emettono nella regione blu e verde dello spettro visibile. QDs più grandi, con misure di 4-5 nm, emettono a frequenze inferiori, rispettivamente giallo e rosso", spiega Leonnam Gotardo Merizio, ricercatore post-dottorato presso l'IFSC-USP e secondo autore dell'articolo.

Secondo Costa, il nuovo metodo ha molti vantaggi rispetto alla strategia di sintesi convenzionale. "Nella tecnica convenzionale, devi prelevare piccoli campioni della soluzione per misurare le dimensioni dei QD, ma la tecnica in situ ti permette di farlo mentre il processo è in corso, senza interferire con il mezzo di reazione per prendere campioni in modo che più spettri possano essere ottenuti per unità di tempo, il volume della reazione non è influenzato e si evita il rifiuto inutile. Il colore dell'emissione dei QD di interesse può quindi essere controllato in modo molto più preciso. L'apparecchiatura che fornisce la luce di eccitazione tramite fibra ottica alla lunghezza d'onda appropriata raccoglie anche la luce emessa e determina la sua frequenza caratteristica nel sistema di colori RGB [rosso, verde e blu]. È importante notare che il controllo del sistema RGB è rilevante per la formazione di immagini in diversi dispositivi luminescenti, come monitor e schermi per smartphone", spiega.

I QD sintetizzati in questo modo, ha aggiunto, sono stati anche caratterizzati tramite diffrazione dei raggi X, microscopia elettronica a trasmissione, spettroscopia di assorbimento ultravioletto-visibile e spettroscopia di vibrational infrarossa.

L'esistenza dei QDs è stata teoricamente prevista nel 1937 da Herbert Fröhlich (1905-91), un fisico tedesco naturalizzato britannico. Negli anni '80, Alexey Ekimov (nato nel 1945), all'epoca in Unione Sovietica, e Louis Brus (nato nel 1943), negli Stati Uniti, osservarono indipendentemente per la prima volta il confinamento quantico in nanoparticelle semiconduttive. Negli anni '90, il fisico franco-americano Moungi Bawendi (nato nel 1961) sviluppò metodi significativamente migliorati di sintesi dei QD. Nel 2023, Ekimov, Brus e Bawendi sono stati insigniti del Premio Nobel per la Chimica per il loro lavoro nel settore.

"La confinazione quantistica conferisce alle QD la capacità di confinare gli elettroni in tre dimensioni, rendendo i fenomeni quantistici più evidenti e caratterizzandoli come materiali intermedi tra atomi, molecole e array cristallini più grandi," afferma Costa. "Molti articoli sono stati pubblicati sulla sintesi delle QD a base di CdTe. Il principale contributo del nostro studio riguarda lo sviluppo e l'applicazione di un sistema di misurazione della luminescenza in situ altamente versatile. La metodologia ci ha permesso di inferire le dimensioni delle nanoparticelle cristalline e di caratterizzare la formazione di composti intermedi nelle reazioni chimiche tramite l'associazione in situ con altre tecniche che consentono analisi chimiche e/o strutturali [FT-IR, Raman, DRX, ecc]. Questa evoluzione della sintesi ottimizza i rendimenti chimici e risparmia energia," afferma Camargo. Riferimento: "Monitoraggio in tempo reale della crescita dei quantum dots di CdTe in soluzione acquosa" di P. F. G. M. da Costa, L. G. Merízio, N. Wolff, H. Terraschke e A. S. S. de Camargo, 3 aprile 2024, Scientific Reports. DOI: 10.1038/s41598-024-57810-8 Lo studio è stato finanziato dalla Fondazione per la Ricerca di San Paolo.