MoS2-kvantprickar i vattenlösning (vänster) och en ultrahög förstoring av en MoS2-kvantprick (höger). MoS2-kvantprickar syntetiserade med det nya tillvägagångssättet som utvecklats av forskare från National University of Singapore kan potentiellt generera cancerdödande egenskaper. Kredit:National University of Singapore
Tvådimensionella (2-D) övergångsmetalldikalkogenider (TMD) nanomaterial som molybdenit (MoS 2 ), som har en liknande struktur som grafen, har tagit på sig framtidens material för deras breda spektrum av potentiella tillämpningar inom biomedicin, sensorer, katalysatorer, fotodetektorer och energilagringsanordningar. Den mindre motsvarigheten till 2-D TMD, även känd som TMD quantum dots (QDs) förstärker ytterligare de optiska och elektroniska egenskaperna hos TMD, och är mycket användbara för katalytiska och biomedicinska tillämpningar. Dock, TMD QDs används knappast i applikationer eftersom syntesen av TMD QDs fortfarande är utmanande.
Nu, ingenjörer från National University of Singapore (NUS) har utvecklat en kostnadseffektiv och skalbar strategi för att syntetisera TMD QDs. Den nya strategin gör också att egenskaperna hos TMD QD:er kan konstrueras specifikt för olika applikationer, gör därmed ett steg framåt för att hjälpa till att realisera potentialen hos TMD QDs.
Bottom-up-strategi för att syntetisera TMD QDs
Nuvarande syntes av TMD-nanomaterial förlitar sig på en top-down-metod där TMD-mineralmalmer samlas in och bryts ner från millimeter- till nanometerskala via fysikaliska eller kemiska medel. Den här metoden, samtidigt som det är effektivt för att syntetisera TMD-nanomaterial med precision, är låg i skalbarhet och kostsamt eftersom separation av fragment av nanomaterial efter storlek kräver flera reningsprocesser. Att använda samma metod för att producera TMD QDs av en konsekvent storlek är också extremt svårt på grund av deras minutstorlek.
För att övervinna denna utmaning, ett team av ingenjörer från institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid NUS tekniska fakultet utvecklade en ny bottom-up-syntesstrategi som konsekvent kan konstruera TMD QDs av en specifik storlek, en billigare och mer skalbar metod än den konventionella top-down-metoden. TMD QDs syntetiseras genom att reagera övergångsmetalloxider eller -klorider med chalogenprekursorer under milda vattenhaltiga och rumstemperaturförhållanden. Med hjälp av bottom-up-metoden, teamet syntetiserade framgångsrikt ett litet bibliotek med sju TMD QDs och kunde ändra deras elektroniska och optiska egenskaper i enlighet därmed.
Docent David Leong från institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid NUS tekniska fakultet ledde utvecklingen av denna nya syntesmetod. Han förklarade, "Att använda bottom-up-metoden för att syntetisera TMD QDs är som att bygga en byggnad från grunden med betong, stål- och glaskomponent; det ger oss full kontroll över byggnadens design och funktioner. Liknande, detta nedifrån-och-upp-tillvägagångssätt tillåter oss att variera förhållandet mellan övergångsmetalljoner och kalkogenjoner i reaktionen för att syntetisera TMD QDs med de egenskaper vi önskar. Dessutom, genom vår bottom-up-strategi, vi kan syntetisera nya TMD QDs som inte finns naturligt. De kan ha nya egenskaper som kan leda till nyare applikationer."
Tillämpa TMD QDs i cancerterapi och vidare
Teamet av NUS-ingenjörer syntetiserade sedan MoS2 QDs för att demonstrera proof-of-concept biomedicinska tillämpningar. Genom sina experiment, Teamet visade att defektegenskaperna hos MoS2 QDs kan konstrueras med precision med hjälp av bottom-up-metoden för att generera olika nivåer av oxidativ stress, och kan därför användas för fotodynamisk terapi, en framväxande cancerterapi.
"Fotodynamisk terapi använder för närvarande ljuskänsliga organiska föreningar som producerar oxidativ stress för att döda cancerceller. Dessa organiska föreningar kan finnas kvar i kroppen i några dagar och patienter som får denna typ av fotodynamisk terapi avråds från onödig exponering för starkt ljus. TMD QDs som t.ex. MoS2 QDs kan erbjuda ett säkrare alternativ till dessa organiska föreningar eftersom vissa övergångsmetaller som Mo i sig är essentiella mineraler och snabbt kan metaboliseras efter den fotodynamiska behandlingen. Vi kommer att genomföra ytterligare tester för att verifiera detta." Assoc Prof Leong lade till.
Potentialen hos TMD QDs, dock, går långt utöver bara biomedicinska tillämpningar. Går vidare, teamet arbetar på att utöka sitt bibliotek av TMD QDs med hjälp av bottom-up-strategin, och för att optimera dem för andra applikationer som nästa generations TV-skärmar och elektroniska enheter, avancerade elektronikkomponenter och till och med solceller.
