Quantum dots - kleine deeltjes die licht uitstralen in een oogverblindende reeks gloeiende kleuren - hebben het potentieel voor vele toepassingen, maar hebben een reeks hindernissen ondervonden om de prestaties te verbeteren. Maar een MIT-team zegt dat het erin is geslaagd om al deze obstakels in één keer te overwinnen, terwijl eerdere pogingen ze slechts één of enkele tegelijk konden aanpakken.

Quantum dots - in dit geval een specifiek type genaamd colloïdale kwantumdots - zijn kleine deeltjes halfgeleidermateriaal die zo klein zijn dat hun eigenschappen verschillen van die van het bulkmateriaal:ze worden gedeeltelijk bepaald door de wetten van de kwantummechanica die beschrijven hoe atomen en subatomaire deeltjes zich gedragen. Wanneer verlicht met ultraviolet licht, de stippen fluoresceren helder in een reeks kleuren, bepaald door de grootte van de deeltjes.

Voor het eerst ontdekt in de jaren 80, deze materialen zijn de focus geweest van intensief onderzoek vanwege hun potentieel om aanzienlijke voordelen te bieden in een breed scala aan optische toepassingen, maar hun daadwerkelijke gebruik is door verschillende factoren beperkt. Nutsvoorzieningen, onderzoek dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurmaterialen door MIT chemie postdoc Ou Chen, Moungi Bawendi, de Lester Wolfe hoogleraar scheikunde, en verscheidene andere doen vermoeden dat deze beperkende factoren allemaal kunnen worden overwonnen.

Het nieuwe proces ontwikkeld door het MIT-team produceert kwantumdots met vier belangrijke eigenschappen:uniforme maten en vormen; heldere emissies, het produceren van bijna 100 procent emissie-efficiëntie; een zeer smalle emissiepiek, wat betekent dat de kleuren die door de deeltjes worden uitgestraald nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd; en een eliminatie van de neiging om aan en uit te knipperen, die het nut van eerdere quantum-dot-toepassingen beperkten.

Veelkleurige biologische kleurstoffen

Bijvoorbeeld, een mogelijke toepassing die van groot belang is voor onderzoekers is als vervanging voor conventionele fluorescerende kleurstoffen die worden gebruikt in medische tests en onderzoek. Quantum dots kunnen verschillende voordelen hebben ten opzichte van kleurstoffen, waaronder het vermogen om veel soorten cellen en weefsels in verschillende kleuren te labelen vanwege hun vermogen om zulke smalle, precieze kleurvariaties. Maar het knipperende effect heeft het gebruik ervan belemmerd:in snel bewegende biologische processen, je kunt soms een enkel molecuul uit het oog verliezen wanneer de bijgevoegde kwantumstip knippert.

Eerdere pogingen om één kwantumpuntprobleem aan te pakken, hadden de neiging om andere erger te maken, zegt Chen. Bijvoorbeeld, om het knippereffect te onderdrukken, deeltjes werden gemaakt met dikke schelpen, maar dit elimineerde enkele van de voordelen van hun kleine formaat.

De kleine omvang van deze nieuwe stippen is belangrijk voor potentiële biologische toepassingen, legt Bawendi uit. "[Onze] stippen zijn ongeveer zo groot als een eiwitmolecuul, "zegt hij. Als je iets in een biologisch systeem wilt taggen, hij zegt, de tag moet klein genoeg zijn zodat hij het monster niet overweldigt of het gedrag ervan aanzienlijk verstoort.

Quantum dots worden ook gezien als potentieel nuttig bij het maken van energiezuinige computer- en televisieschermen. Hoewel dergelijke displays zijn geproduceerd met bestaande quantum-dot-technologie, hun prestaties kunnen worden verbeterd door het gebruik van stippen met nauwkeurig gecontroleerde kleuren en een hogere efficiëntie.

De voordelen combineren

Dus recent onderzoek heeft zich gericht op "de eigenschappen die we echt nodig hebben om [dots'] toepassing als lichtstralers te verbeteren, " zegt Bawendi - wat de eigenschappen zijn die de nieuwe resultaten met succes hebben aangetoond. De nieuwe kwantumstippen, Voor de eerste keer, hij zegt, "combineer al deze eigenschappen die mensen belangrijk vinden, tegelijkertijd."

De nieuwe deeltjes zijn gemaakt met een kern van halfgeleidermateriaal (cadmiumselenide) en dunne schillen van een andere halfgeleider (cadmiumsulfide). Ze vertoonden een zeer hoge emissie-efficiëntie (97 procent) en kleine, uniforme grootte en smalle emissiepieken. Het knipperen werd sterk onderdrukt, wat betekent dat de stippen 94 procent van de tijd "aan" blijven.

Een sleutelfactor om ervoor te zorgen dat deze deeltjes alle gewenste eigenschappen bereiken, was ze langzaam in oplossing te laten groeien, zodat hun eigenschappen nauwkeuriger kunnen worden gecontroleerd, legt Chen uit. "Een heel belangrijk ding is de synthesesnelheid, " hij zegt, "om genoeg tijd te geven om elk atoom naar de juiste plaats te laten gaan."

De langzame groei moet het gemakkelijk maken om op te schalen naar grote productievolumes, hij zegt, omdat het gemakkelijker is om grote containers te gebruiken zonder de controle over de uiteindelijke grootte van de deeltjes te verliezen. Chen verwacht dat de eerste bruikbare toepassingen van deze technologie binnen twee jaar zouden kunnen verschijnen.

Taeghwan Hyeon, directeur van het Center for Nanoparticle Research aan de Seoul National University in Korea, die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt, "Het is heel indrukwekkend, omdat het gebruik van een schijnbaar heel eenvoudige benadering - dat wil zeggen, een langzame groeisnelheid behouden - ze waren in staat om de schaaldikte nauwkeurig te regelen, waardoor ze zeer uniforme en kleine kwantumdots kunnen synthetiseren." Dit werk, hij zegt, lost een van de "belangrijkste uitdagingen" op dit gebied op, en "biologische beeldvormingstoepassingen konden vinden, en kan ook worden gebruikt voor solid-state verlichting en displays."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.