Små partiklar av materia som kallas kvantprickar, som avger ljus med exceptionellt rena och ljusa färger, har funnit en framträdande roll som biologiska markörer. Dessutom, de förverkligar sin potential inom dator- och tv -skärmar, och har lovande i solid-state belysning. Ny forskning vid MIT kan nu göra dessa kvantprickar ännu mer effektiva för att leverera exakt inställda ljusfärger.

Dessa material, kallad kolloidal halvledarkvantumpunkt nanokristaller, kan avge vilken ljusfärg som helst, beroende på deras exakta storlek eller sammansättning. Men det finns en viss variation i spridningen av färger som olika satser av nanokristaller producerar, och fram till nu har det inte funnits något sätt att avgöra om denna variation kom från enskilda partiklar eller från variationer mellan nanokristallerna i en sats.

Det är pusslet som ett MIT -team nu har löst, med en ny observationsmetod. Resultaten visas i journalen Naturkemi i en artikel av kemiprofessor Moungi Bawendi, doktorand Jian Cui, och sex andra.

För många applikationer – som platta bildskärmar – är det viktigt att tillverka partiklar som avger en specifik, ren ljusfärg. Så, Det är viktigt att veta om en given process producerar nanokristaller med ett inneboende smalt eller brett spektrum av färgemissioner.

"Du måste förstå hur spektrumet för en enda partikel förhåller sig till spektrumet för hela ensemblen, "Säger Cui. Men befintliga observationsmetoder som upptäcker en hel ensemble producerar data som" suddar ut informationen, "och metoder som försöker extrahera data från enstaka partiklar har begränsningar.

Att observera miljarder på en gång

Den nya metoden, utvecklad i Bawendis labb, är en radikal avvikelse från konventionella sätt att observera ljusemissioner från enstaka sändare. I vanliga fall, detta görs genom att isolera enskilda sändare, stabilisera dem på ett underlag, och observera dem en i taget.

Men detta tillvägagångssätt har två nackdelar, Bawendi förklarar:"Du får bara små siffror, eftersom du tittar på en i taget, och det finns ett urval av bias, för man brukar titta på de ljusa."

Den nya metoden – kallad foton-korrelation Fourier-spektroskopi i lösning – gör det möjligt att extrahera enpartikelspektrala egenskaper från en stor grupp av partiklar. Även om det inte berättar den spektrala toppbredden för en specifik partikel, det ger dig den genomsnittliga enpartikel-spektralbredden från miljarder partiklar, avslöjar om de enskilda partiklarna ger rena färger eller inte.

Dessutom, Bawendi förklarar, partiklarna "är inte isolerade på en yta, men [är] i sin naturliga miljö, i en lösning." Med de traditionella metoderna, "Det finns alltid en fråga:Hur mycket påverkar ytan resultaten?"

Metoden fungerar genom att jämföra par av fotoner som emitteras av enskilda partiklar. Det säger inte den absoluta färgen på en viss partikel, men det ger ett representativt statistiskt mått på hela partikelsamlingen. Den gör detta genom att belysa provlösningen med en laserstråle och detektera det emitterade ljuset på extremt korta tidsskalor. Så även om olika partiklar inte är differentierade i rymden, de kan differentieras i tid, när de driver in och ut ur den smala laserstrålen och tänds av strålen.

"Vi får den genomsnittliga enpartikellinjebredden i lösningen, utan att välja partiskhet, " säger Cui. Genom att tillämpa den här metoden på produktionen av kvantpunktsnanokristaller, MIT -teamet kan avgöra hur väl olika metoder för syntetisering av partiklarna fungerar.

Finjustera processen

"Det var en öppen fråga om bredden på en punktlinje var variabel eller inte, "Säger Cui. Nu, han och hans kollegor kan bestämma detta för varje variation i tillverkningsprocessen, och börja finjustera processen för att producera den mest användbara utdata för olika applikationer.

Förutom datorskärmar, sådana partiklar har tillämpningar inom biomedicinsk forskning, där de används som färgningsmedel för olika biokemikalier. Ju mer exakta partiklarnas färger är, ju större antal olika färgade partiklar som kan användas samtidigt i ett prov, var och en riktad mot en annan typ av biomolekyl.

Med denna metod, forskarna kunde visa att ett mycket använt material för kvantprickar, kadmiumselenid, ger verkligen mycket rena färger. Men, de fann att andra material som kunde ersätta kadmiumselenid eller producera olika färger, såsom indiumfosfid, kan också ha mycket rena färger. Tidigare, detta var en öppen fråga.

Todd Krauss, en professor i kemi vid University of Rochester som inte var inblandad i denna forskning, säger MIT-teamets "tillvägagångssätt är mycket smart och bygger på vad den här gruppen har gjort tidigare." Att mäta linjebredden för enskilda partiklar är viktigt, han säger, för att optimera applikationer som tv-skärmar och biologiska markörer. Han lägger till, "Vi borde kunna göra mycket bättre framsteg nu när denna teknik publiceras, på grund av förmågan att få en-partikel linjebredder på många partiklar samtidigt. "

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.