Kleine deeltjes materie die kwantumstippen worden genoemd, die licht uitstralen met uitzonderlijk zuivere en heldere kleuren, hebben een prominente rol gevonden als biologische markers. In aanvulling, ze realiseren hun potentieel in computer- en televisieschermen, en hebben belofte in solid-state verlichting. Nieuw onderzoek aan het MIT zou deze kwantumstippen nu nog efficiënter kunnen maken in het leveren van nauwkeurig afgestemde lichtkleuren.

Deze materialen, genaamd colloïdale halfgeleider quantum dot nanokristallen, kan elke kleur licht uitstralen, afhankelijk van hun exacte grootte of samenstelling. Maar er is enige variatie in de verspreiding van kleuren die verschillende batches nanokristallen produceren, en tot nu toe was er geen manier om te zeggen of die variabiliteit afkomstig was van individuele deeltjes of van variaties tussen de nanokristallen in een batch.

Dat is de puzzel die een MIT-team nu heeft opgelost, met behulp van een nieuwe observatiemethode. De resultaten verschijnen in het tijdschrift Natuurchemie in een paper van chemieprofessor Moungi Bawendi, afgestudeerde student Jian Cui, en zes anderen.

Voor veel toepassingen, zoals platte beeldschermen, is het belangrijk om deeltjes te maken die een specifieke, zuivere kleur van het licht. Dus, het is belangrijk om te weten of een bepaald proces nanokristallen produceert met een intrinsiek smal of breed spectrum van kleuremissie.

"Je moet begrijpen hoe het spectrum van een enkel deeltje zich verhoudt tot het spectrum van het hele ensemble, ", zegt Cui. Maar bestaande observatiemethoden die een heel ensemble detecteren, produceren gegevens die "de informatie vertroebelen, " en methoden die proberen gegevens uit afzonderlijke deeltjes te extraheren, hebben beperkingen.

Miljarden tegelijk observeren

De nieuwe methode, ontwikkeld in Bawendi's lab, is een radicale afwijking van conventionele manieren om lichtemissies van afzonderlijke emitters waar te nemen. Normaal gesproken, dit wordt gedaan door individuele emitters te isoleren, stabiliseren op een ondergrond, en ze een voor een te observeren.

Maar deze benadering heeft twee nadelen, Bawendi legt uit:"Je krijgt alleen kleine aantallen, omdat je er één voor één naar kijkt, en er is een selectiebias, omdat je meestal naar de heldere kijkt."

De nieuwe methode, foton-correlatie Fourier-spectroscopie in oplossing genaamd, maakt het mogelijk om spectrale eigenschappen van één deeltje te extraheren uit een grote groep deeltjes. Hoewel het je niet de spectrale piekbreedte van een specifiek deeltje vertelt, het geeft je de gemiddelde spectrale breedte van één deeltje van miljarden deeltjes, onthullen of de afzonderlijke deeltjes pure kleuren produceren of niet.

In aanvulling, Bawendi legt uit, de deeltjes "zijn niet geïsoleerd op een oppervlak, maar [zijn] in hun natuurlijke omgeving, in een oplossing." Met de traditionele methoden, "Er is altijd een vraag:hoeveel invloed heeft het oppervlak op de resultaten?"

De methode werkt door paren fotonen te vergelijken die worden uitgezonden door individuele deeltjes. Dat vertelt je niet de absolute kleur van een bepaald deeltje, maar het geeft wel een representatieve statistische maatstaf voor de hele verzameling deeltjes. Het doet dit door de monsteroplossing te belichten met een laserstraal en het uitgestraalde licht op extreem korte tijdschalen te detecteren. Dus hoewel verschillende deeltjes niet gedifferentieerd zijn in de ruimte, ze kunnen worden gedifferentieerd in de tijd, terwijl ze in en uit de smalle laserstraal drijven en door de straal worden ingeschakeld.

"We krijgen de gemiddelde lijnbreedte van één deeltje in de oplossing, zonder enige selectiebias, " zegt Cui. Door deze methode toe te passen op de productie van quantum dot nanokristallen, het MIT-team kan bepalen hoe goed verschillende methoden voor het synthetiseren van de deeltjes werken.

Verfijning van het proces

"Het was een open vraag of de lijndikte van de enkele stip variabel was of niet, " zegt Cui. Nu, hij en zijn collega's kunnen dit voor elke variatie in het fabricageproces bepalen, en begin met het verfijnen van het proces om de meest bruikbare output voor verschillende toepassingen te produceren.

Naast computerschermen, dergelijke deeltjes hebben toepassingen in biomedisch onderzoek, waar ze worden gebruikt als kleurstoffen voor verschillende biochemicaliën. Hoe nauwkeuriger de kleuren van de deeltjes zijn, hoe groter het aantal verschillende gekleurde deeltjes dat tegelijk in een monster kan worden gebruikt, elk gericht op een ander soort biomolecuul.

Met behulp van deze methode, konden de onderzoekers aantonen dat een veelgebruikt materiaal voor kwantumstippen, cadmiumselenide, produceert inderdaad zeer zuivere kleuren. Maar, ze ontdekten dat andere materialen die cadmiumselenide kunnen vervangen of andere kleuren kunnen produceren, zoals indiumfosfide, kan ook intrinsiek zeer zuivere kleuren hebben. Eerder, dit was een open vraag.

Todd Krauss, een professor in de chemie aan de Universiteit van Rochester die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat de "aanpak van het MIT-team erg slim is en voortbouwt op wat deze groep eerder heeft gedaan." Het meten van de lijnbreedtes van individuele deeltjes is belangrijk, hij zegt, bij het optimaliseren van toepassingen zoals televisieschermen en biologische markers. Hij voegt toe, "We zouden veel betere stappen moeten kunnen zetten nu deze techniek is gepubliceerd, vanwege het vermogen om lijnbreedtes van één deeltje op veel deeltjes tegelijk te krijgen."

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.