(PhysOrg.com) -- Demonstratie van op DNA gebaseerde precisie-nanoassemblagemethode voor het maken van lichtemitterende deeltjesclusters zou kunnen leiden tot vooruitgang in zonnecellen, opto-elektronica, en biosensoren

Door individuele halfgeleider kwantumstippen te koppelen aan gouden nanodeeltjes, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben het vermogen aangetoond om de intensiteit van het licht dat wordt uitgestraald door individuele kwantumstippen tot 20 keer te verbeteren. De precisiemethode voor het maken van de lichtemitterende deeltjesclusters -- online gepubliceerd op 26 juli 2010 in het tijdschrift ChemComm -- zal het vermogen van wetenschappers om de optische eigenschappen van kwantumstippen te bestuderen en te wijzigen aanzienlijk verbeteren, en kan uiteindelijk leiden tot verbeterde apparaten voor het omzetten van zonne-energie, lichtgestuurde elektronica, en biosensoren.

"Quantum dots - kleine kristallen van halfgeleidermaterialen die fluoresceren, of licht uitstralen, als reactie op foto-excitatie — hebben een enorm potentieel voor gebruik in een breed scala van gebieden, van zonne-energieconversie tot computergebruik en medicijnen, zei Mircea Cotlet, een fysisch chemicus bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN) en hoofdauteur van de huidige studie. “Maar veel factoren kunnen het licht dat ze uitstralen beïnvloeden, en het is moeilijk om de bijdragen van deze factoren in grote samples te bepalen vanwege de inherente ensemble-middeling. Het bouwen van structuren met één molecuul bij het CFN leek de ideale manier om deze effecten op te sporen.”

Het Brookhaven-team heeft onlangs een precisietechniek ontwikkeld om dergelijke structuren van nanogrootte te bouwen met behulp van korte DNA-strengen als een zeer specifieke "lijm" om deeltjes aan elkaar te koppelen.

“DNA bestaat uit twee strengen met complementaire basenparen die maar op één manier aan elkaar plakken, ” legde Oleg Gang uit, leider van het team dat de techniek heeft ontwikkeld. “Door de lengte van de individuele strengen te variëren en complementaire stukken te bevestigen aan de deeltjes die we willen verbinden, en verankering van het hele proces op een montageoppervlak, we kunnen de constructie van individuele nanoclusters precies sturen.”

In de huidige studie, het team gebruikte dit meerstapsproces om halfgeleidende kwantumstippen aan gouden nanodeeltjes te hechten. Het is bekend dat metalen materialen de optische eigenschappen van kwantumdots beïnvloeden, hetzij door fotoluminescentie te versterken of te remmen, afhankelijk van een reeks factoren, waaronder de grootte en vorm van de materialen, de afstand tussen hen, en de golflengte van het licht dat wordt gebruikt om foto-excitatie te induceren.

Dankzij de precisie-assemblagetechniek konden de wetenschappers de grootte regelen, vorm, en afstandsfactoren met een hoge mate van precisie en test het effect van de golflengte afzonderlijk. Ze kozen specifiek twee golflengten om te testen:één dicht bij de zogenaamde "plasmonresonantie" van de gouden nanodeeltjes - dat wil zeggen, een golflengte die een collectieve oscillatie van de geleidende elektronen van het materiaal induceert, wat leidt tot sterke absorptie van licht op die golflengte - en één buiten dit bereik.

De golflengte binnen het plasmonresonantiebereik verbeterde de fotoluminescentie ongeveer viervoudig in vergelijking met de luminescentie die wordt bereikt door de golflengte buiten het plasmonresonantiebereik. In vergelijking met de fotoluminescentie van individuele kwantumstippen die niet zijn gekoppeld aan gouden nanodeeltjes, de resonantiegolflengte verbeterde de fotoluminescentie van de met goud verbonden kwantumstippen met een orde van grootte.

"Dit vermogen om de excitonische eigenschappen in plasmonische fluorescerende kwantumdots te beheersen, is essentieel voor de ontwikkeling van apparaten zoals zonnecellen, lichtgevende dioden, of optische circuits en zou de gevoeligheid van op kwantumdots gebaseerde biosensing-assays kunnen verbeteren, ' zei Colet.