Kvantprickar - små partiklar som avger ljus i en bländande uppsättning glödande färger - har potential för många applikationer, men har mött en rad hinder för förbättrad prestanda. Men ett MIT -team säger att det har lyckats övervinna alla dessa hinder på en gång, medan tidigare ansträngningar bara har kunnat hantera dem en eller några i taget.

Kvantprickar - i det här fallet en specifik typ som kallas kolloidala kvantpunkter - är små partiklar av halvledarmaterial som är så små att deras egenskaper skiljer sig från bulkmaterialets:De styrs delvis av kvantmekanikens lagar som beskriver hur atomer och subatomära partiklar beter sig. När den belyses med ultraviolett ljus, prickarna fluorescerar starkt i olika färger, bestäms av partiklarnas storlek.

Upptäcktes först på 1980 -talet, dessa material har varit i fokus för intensiv forskning på grund av deras potential att ge betydande fördelar i en mängd olika optiska applikationer, men deras faktiska användning har begränsats av flera faktorer. Nu, forskning som publicerades i veckan i tidskriften Naturmaterial av MIT chemistry postdoc Ou Chen, Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi, och flera andra ökar möjligheten att alla dessa begränsande faktorer kan övervinnas.

Den nya processen som utvecklats av MIT -teamet ger kvantprickar med fyra viktiga egenskaper:enhetliga storlekar och former; ljusa utsläpp, producerar nära 100 procent utsläppseffektivitet; en mycket smal topp av utsläpp, vilket betyder att färgerna som avges av partiklarna kan kontrolleras exakt; och en eliminering av en tendens att blinka på och av, vilket begränsade användbarheten av tidigare kvantpunktsapplikationer.

Flerfärgade biologiska färgämnen

Till exempel, en potentiell tillämpning av stort intresse för forskare är som ett substitut för konventionella fluorescerande färgämnen som används i medicinska tester och forskning. Kvantprickar kan ha flera fördelar jämfört med färgämnen - inklusive möjligheten att märka många typer av celler och vävnader i olika färger på grund av deras förmåga att producera så smala, exakta färgvariationer. Men den blinkande effekten har hindrat deras användning:I snabba biologiska processer, du kan ibland tappa koll på en enda molekyl när dess bifogade kvantpunkt blinkar.

Tidigare försök att ta itu med ett kvantpunktsproblem tenderade att göra andra värre, Säger Chen. Till exempel, för att undertrycka den blinkande effekten, partiklar gjordes med tjocka skal, men detta eliminerade några av fördelarna med deras lilla storlek.

Den lilla storleken på dessa nya prickar är viktig för potentiella biologiska tillämpningar, Bawendi förklarar. "[Våra] prickar är ungefär lika stora som en proteinmolekyl, "säger han. Om du vill märka något i ett biologiskt system, han säger, taggen måste vara tillräckligt liten för att den inte ska överväldiga provet eller störa dess beteende väsentligt.

Quantum dots ses också som potentiellt användbara för att skapa energieffektiva dator- och tv-skärmar. Även om sådana skärmar har producerats med befintlig kvantpunktsteknik, deras prestanda kan förbättras genom att använda prickar med exakt kontrollerade färger och högre effektivitet.

Kombinera fördelarna

Så ny forskning har fokuserat på "de egenskaper vi verkligen behöver för att förbättra [prickarnas] tillämpning som ljusstrålar, "Bawendi säger - vilka är de egenskaper som de nya resultaten framgångsrikt har visat. De nya kvantprickarna, för första gången, han säger, "kombinera alla dessa attribut som människor tycker är viktiga, på samma gång."

De nya partiklarna gjordes med en kärna av halvledarmaterial (kadmiumselenid) och tunna skal av en annan halvledare (kadmiumsulfid). De visade mycket hög utsläppseffektivitet (97 procent) samt små, enhetlig storlek och smala utsläppstoppar. Blinkningen undertrycktes starkt, vilket betyder att prickarna stannar "på" 94 procent av tiden.

En nyckelfaktor för att få dessa partiklar att uppnå alla önskade egenskaper var att odla dem i lösning långsamt, så deras egenskaper kunde kontrolleras mer exakt, Chen förklarar. "En mycket viktig sak är synteshastighet, " han säger, "att ge tillräckligt med tid för att varje atom ska kunna gå till rätt plats."

Den långsamma tillväxten bör göra det enkelt att skala upp till stora produktionsvolymer, han säger, eftersom det gör det lättare att använda stora behållare utan att förlora kontrollen över partiklarnas yttersta storlek. Chen räknar med att de första användbara tillämpningarna av denna teknik kan börja dyka upp inom två år.

Taeghwan Hyeon, chef för Center for Nanoparticle Research vid Seoul National University i Korea, som inte var inblandad i denna forskning, säger, "Det är väldigt imponerande, för att använda ett till synes mycket enkelt tillvägagångssätt - det vill säga upprätthåller en långsam tillväxthastighet - de kunde exakt kontrollera skalets tjocklek, gör det möjligt för dem att syntetisera mycket enhetliga och små kvantprickar. "Detta arbete, han säger, löser en av de "viktigaste utmaningarna" på detta område, och "kunde hitta biomedicinska bildbehandlingstillämpningar, och kan också användas för solid-state-belysning och displayer. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.