Plattskärms-TV som innehåller kvantprickar är nu kommersiellt tillgängliga, men det har varit svårare att skapa uppsättningar av deras långsträckta kusiner, kvantstavar, för kommersiella enheter. Kvantstavar kan styra både polarisationen och ljusets färg för att generera 3D-bilder för virtuell verklighetsenheter.
Med hjälp av ställningar gjorda av vikt DNA, har MIT-ingenjörer kommit på ett nytt sätt att exakt sätta samman uppsättningar av kvantstavar. Genom att deponera kvantstavar på en DNA-ställning på ett mycket kontrollerat sätt kan forskarna reglera deras orientering, vilket är en nyckelfaktor för att bestämma polariseringen av ljus som sänds ut av arrayen. Detta gör det lättare att lägga till djup och dimensionalitet till en virtuell scen.
"En av utmaningarna med kvantstavar är:Hur justerar du dem alla på nanoskala så att de alla pekar i samma riktning?" säger Mark Bathe, en MIT-professor i biologisk teknik och seniorförfattaren till den nya studien. "När de alla pekar i samma riktning på en 2D-yta, har de alla samma egenskaper för hur de interagerar med ljus och styr dess polarisering."
MIT postdoktorer Chi Chen och Xin Luo är huvudförfattarna till artikeln, som publicerades i Science Advances . Robert Macfarlane, docent i materialvetenskap och teknik; Alexander Kaplan Ph.D. och Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi, är också författare till studien.
Under de senaste 15 åren har Bathe och andra lett i design och tillverkning av strukturer i nanoskala gjorda av DNA, även känd som DNA-origami. DNA, en mycket stabil och programmerbar molekyl, är ett idealiskt byggnadsmaterial för små strukturer som kan användas för en mängd olika applikationer, inklusive leverans av läkemedel, fungerar som biosensorer eller bildar byggnadsställningar för material som skördar ljus.
Bathes labb har utvecklat beräkningsmetoder som gör det möjligt för forskare att helt enkelt ange en målform i nanoskala som de vill skapa, och programmet kommer att beräkna sekvenserna av DNA som kommer att självmontera till rätt form. De utvecklade också skalbara tillverkningsmetoder som införlivar kvantprickar i dessa DNA-baserade material.
I ett papper från 2022 visade Bathe och Chen att de kunde använda DNA för att bygga kvantprickar i exakta positioner med hjälp av skalbar biologisk tillverkning. Med utgångspunkt i det arbetet slog de sig ihop med Macfarlanes labb för att ta sig an utmaningen att arrangera kvantstavar i 2D-matriser, vilket är svårare eftersom stavarna måste riktas in i samma riktning.
Befintliga tillvägagångssätt som skapar inriktade uppsättningar av kvantstavar med hjälp av mekanisk gnidning med ett tyg eller ett elektriskt fält för att svepa stavarna i en riktning har endast haft begränsad framgång. Detta beror på att högeffektiv ljusemission kräver att stavarna hålls minst 10 nanometer från varandra, så att de inte "släcker" eller undertrycker sina grannars ljusavgivande aktivitet.
För att uppnå det, utarbetade forskarna ett sätt att fästa kvantstavar till diamantformade DNA-origamistrukturer, som kan byggas i rätt storlek för att bibehålla det avståndet. Dessa DNA-strukturer fästs sedan på en yta, där de passar ihop som pusselbitar.
"Kvantstavarna sitter på origamin i samma riktning, så nu har du mönstrat alla dessa kvantstavar genom självmontering på 2D-ytor, och du kan göra det över den mikronskala som behövs för olika applikationer som mikroLEDs," säger Bathe. "Du kan orientera dem i specifika riktningar som är kontrollerbara och hålla dem väl åtskilda eftersom origamis är packade och naturligt passar ihop, som pusselbitar skulle göra."
Som det första steget för att få detta tillvägagångssätt att fungera, var forskarna tvungna att komma på ett sätt att fästa DNA-strängar på kvantstavarna. För att göra det utvecklade Chen en process som går ut på att emulgera DNA till en blandning med kvantstavarna och sedan snabbt dehydratisera blandningen, vilket gör att DNA-molekylerna kan bilda ett tätt lager på stavarnas yta.
Denna process tar bara några minuter, mycket snabbare än någon befintlig metod för att fästa DNA till partiklar i nanoskala, vilket kan vara nyckeln till att möjliggöra kommersiella tillämpningar.
"Den unika aspekten av denna metod ligger i dess nästan universella tillämpbarhet på alla vattenälskande ligander med affinitet till nanopartikelytan, vilket gör att de omedelbart kan skjutas upp på ytan av partiklarna i nanoskala. Genom att utnyttja denna metod uppnådde vi en betydande minskning av tillverkningstiden från flera dagar till bara några minuter, säger Chen.
Dessa DNA-strängar fungerar sedan som kardborreband och hjälper kvantstavarna att hålla sig till en DNA-origami-mall, som bildar en tunn film som täcker en silikatyta. Denna tunna film av DNA bildas först via självmontering genom att sammanfoga närliggande DNA-mallar via överhängande DNA-strängar längs deras kanter.
Forskarna hoppas nu kunna skapa ytor i wafer-skala med etsade mönster, vilket kan göra det möjligt för dem att skala sin design till enhetsskala arrangemang av kvantstavar för många applikationer, bortom endast mikroLED eller augmented reality/virtuell verklighet.
"Metoden som vi beskriver i denna artikel är utmärkt eftersom den ger bra rumslig och orienterande kontroll över hur kvantstavarna är placerade. Nästa steg kommer att vara att göra arrayer som är mer hierarkiska, med programmerad struktur i många olika längdskalor. Möjligheten att kontrollera storlekarna, formerna och placeringen av dessa quantum rod arrays är en inkörsport till alla möjliga olika elektronikapplikationer, säger Macfarlane.
"DNA är särskilt attraktivt som tillverkningsmaterial eftersom det kan produceras biologiskt, vilket är både skalbart och hållbart, i linje med den framväxande amerikanska bioekonomin. Att översätta detta arbete till kommersiella enheter genom att lösa flera kvarvarande flaskhalsar, inklusive byte till miljösäkra kvantstavar , är vad vi fokuserar på härnäst", tillägger Bathe.
Mer information: Chi Chen et al, Ultrasnabb tät DNA-funktionalisering av kvantprickar och stavar för skalbar 2D-arraytillverkning med precision i nanoskala, vetenskapliga framsteg (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh8508. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8508
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
