Массивы квантовых стержней могут улучшить телевизоры и устройства виртуальной реальности

Aug 04, 2023

Телевизоры с плоским экраном, в которых используются квантовые точки, сейчас коммерчески доступны, но создать массивы их удлиненных собратьев, квантовых стержней, для коммерческих устройств стало сложнее. Квантовые стержни могут контролировать как поляризацию, так и цвет света, создавая 3D-изображения для устройств виртуальной реальности.

Используя каркасы из свернутой ДНК, инженеры Массачусетского технологического института придумали новый способ точной сборки массивов квантовых стержней. Размещая квантовые стержни на каркасе ДНК строго контролируемым образом, исследователи могут регулировать их ориентацию, которая является ключевым фактором в определении поляризации света, излучаемого решеткой. Это упрощает добавление глубины и размерности виртуальной сцене.

«Одна из проблем, связанных с квантовыми стержнями, заключается в следующем: как выровнять их все на наноуровне, чтобы они были направлены в одном направлении?» говорит Марк Бат, профессор биологической инженерии Массачусетского технологического института и старший автор нового исследования. «Когда все они направлены в одном направлении на двумерной поверхности, все они обладают одинаковыми свойствами взаимодействия со светом и управления его поляризацией».

Постдоки Массачусетского технологического института Чи Чен и Синь Луо являются ведущими авторами статьи, которая опубликована сегодня в журнале Science Advances. Роберт Макфарлейн, доцент кафедры материаловедения и инженерии; Александр Каплан PhD '23; и Мунги Бавенди, профессор химии Лестера Вулфа, также являются авторами исследования.

За последние 15 лет Бат и другие занимались разработкой и изготовлением наноразмерных структур из ДНК, также известных как ДНК-оригами. ДНК, высокостабильная и программируемая молекула, является идеальным строительным материалом для крошечных структур, которые можно использовать для различных целей, включая доставку лекарств, работу в качестве биосенсоров или формирование каркасов для светособирающих материалов.

Лаборатория Бата разработала вычислительные методы, которые позволяют исследователям просто ввести целевую наноразмерную форму, которую они хотят создать, и программа рассчитает последовательности ДНК, которые самособерутся в правильную форму. Они также разработали масштабируемые методы изготовления, которые включают квантовые точки в материалы на основе ДНК.

В статье 2022 года Бат и Чен показали, что они могут использовать ДНК для создания каркаса квантовых точек в точных положениях, используя масштабируемое биологическое производство. Опираясь на эту работу, они объединились с лабораторией Макфарлейна, чтобы решить задачу объединения квантовых стержней в двумерные массивы, что сложнее, поскольку стержни должны быть выровнены в одном направлении.

Существующие подходы, создающие выровненные массивы квантовых стержней с использованием механического трения о ткань или электрического поля для перемещения стержней в одном направлении, имели лишь ограниченный успех. Это связано с тем, что высокоэффективное излучение света требует, чтобы стержни располагались на расстоянии не менее 10 нанометров друг от друга, чтобы они не «гасили» или не подавляли светоизлучающую активность своих соседей.

Чтобы добиться этого, исследователи разработали способ прикрепить квантовые стержни к ромбовидным структурам ДНК-оригами, которые можно построить нужного размера, чтобы поддерживать это расстояние. Эти структуры ДНК затем прикрепляются к поверхности, где они соединяются друг с другом, как кусочки головоломки.

«Квантовые стержни располагаются на оригами в одном и том же направлении, так что теперь вы сформировали узор из всех этих квантовых стержней путем самосборки на двумерных поверхностях, и вы можете делать это в микронном масштабе, необходимом для различных приложений, таких как микросветодиоды», — говорит Бате. «Вы можете ориентировать их в определенных контролируемых направлениях и держать их хорошо разделенными, потому что оригами упакованы и естественным образом сочетаются друг с другом, как это делают кусочки головоломки».

В качестве первого шага к реализации этого подхода исследователям пришлось придумать способ прикреплять нити ДНК к квантовым стержням. Для этого Чен разработал процесс, который включает эмульгирование ДНК в смесь с квантовыми стержнями, а затем быстрое обезвоживание смеси, что позволяет молекулам ДНК образовывать плотный слой на поверхности стержней.