Forskare har utvecklat en teknik som tillåter användare att samla in 100 gånger mer spektrografisk information per dag från mikroflödesenheter, jämfört med den tidigare industristandarden. Den nya tekniken har redan lett till en ny upptäckt:hastigheten för att blanda ingredienser för kvantprickar som används i lysdioder ändrar färgen på ljuset de avger – även när alla andra variabler är identiska.

"Halvledarnanokristaller är viktiga strukturer som används i en mängd olika applikationer, allt från LED-skärmar till solceller. Men att producera nanokristallina strukturer med hjälp av kemisk syntes är knepigt, för det som fungerar bra i liten skala kan inte skalas upp direkt – fysiken fungerar inte, säger Milad Abolhasani, en biträdande professor i kemisk och biomolekylär teknik vid North Carolina State University och motsvarande författare till en artikel om arbetet.

"Denna utmaning har lett till ett intresse för kontinuerliga metoder för nanotillverkning som bygger på exakt kontrollerad mikrofluidbaserad syntes, "Abolhasani säger. "Men att testa alla relevanta variabler för att hitta den bästa kombinationen för att tillverka en given struktur tar extremt lång tid på grund av begränsningarna hos den befintliga övervakningstekniken – så vi bestämde oss för att bygga en helt ny plattform."

För närvarande, mikrofluidisk övervakningsteknik är fixerad, och övervaka antingen absorption eller fluorescens. Fluorescensdata berättar vad kristallens emissionsbandgap är – eller vilken ljusfärg den avger – vilket är viktigt för LED-applikationer. Absorptionsdata berättar om kristallens storlek och koncentration, som är relevant för alla applikationer, samt dess absorptionsbandgap – vilket är viktigt för solcellstillämpningar.

För att övervaka både fluorescens och absorption behöver du två separata övervakningspunkter. Och, fixeras på plats, människor skulle påskynda eller sakta ner flödeshastigheten i mikrofluidkanalen för att kontrollera reaktionstiden för den kemiska syntesen:ju snabbare flödeshastigheten, desto kortare reaktionstid har ett prov innan det når övervakningspunkten. Jobbar dygnet runt, detta tillvägagångssätt skulle tillåta ett labb att samla in cirka 300 dataprover på 24 timmar.

Abolhasani och hans team utvecklade en automatiserad mikrofluidteknik som heter NanoRobo, där en spektrografisk övervakningsmodul som samlar in både fluorescens- och absorptionsdata kan röra sig längs mikrofluidkanalen, samla in data längs vägen. Systemet kan samla in 30, 000 dataprover på 24 timmar – vilket påskyndar upptäckten, undersökning, och optimering av kolloidala halvledarnanokristaller, såsom perovskitkvantprickar, med två storleksordningar.

Och, på grund av översättningsförmågan hos den nya övervakningsmodulen, systemet kan studera reaktionstiden genom att röra sig längs mikrofluidkanalen, snarare än att ändra flödeshastigheten – vilket, forskarna upptäckte, gör stor skillnad.

Eftersom NanoRobo gjorde det möjligt för forskare att övervaka reaktionstid och flödeshastighet som separata variabler för första gången, Abolhasani var den första att notera att hastigheten för proverna i mikrofluidkanalen påverkade storleken och emissionsfärgen på de resulterande nanokristallerna. Även om alla ingredienser var desamma, och alla andra villkor var identiska, prover som rörde sig – och blandades – i snabbare takt producerade mindre nanokristaller. Och det påverkar färgen på ljus som dessa kristaller avger.

"Detta är bara ytterligare ett sätt att ställa in emissionsvåglängden för perovskit nanokristaller för användning i LED-enheter, " säger Abolhasani.

NC State har lämnat in ett provisoriskt patent som täcker NanoRobo och är öppen för att utforska potentiella marknadsapplikationer för teknologin.

Pappret, "Automatisk mikrofluidisk plattform för systematiska studier av kolloidala perovskit nanokristaller:mot kontinuerlig nanotillverkning, " publiceras i tidskriften Lab on a Chip .