Tweedimensionale (2-D) overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) nanomaterialen zoals molybdeniet (MoS ₂ ), die een vergelijkbare structuur hebben als grafeen, hebben de materialen van de toekomst aangetrokken voor hun brede scala aan potentiële toepassingen in de biogeneeskunde, sensoren, katalysatoren, fotodetectoren en energieopslagapparaten. De kleinere tegenhanger van 2D TMD's, ook bekend als TMD-quantumdots (QD's) accentueren de optische en elektronische eigenschappen van TMD's verder, en zijn zeer bruikbaar voor katalytische en biomedische toepassingen. Echter, TMD QD's worden nauwelijks gebruikt in toepassingen omdat de synthese van TMD QD's een uitdaging blijft.

Nutsvoorzieningen, ingenieurs van de National University of Singapore (NUS) hebben een kosteneffectieve en schaalbare strategie ontwikkeld om TMD QD's te synthetiseren. De nieuwe strategie maakt het ook mogelijk om de eigenschappen van TMD QD's specifiek voor verschillende toepassingen te ontwikkelen, waardoor een sprong voorwaarts wordt gemaakt in het helpen realiseren van het potentieel van TMD QD's.

Bottom-up strategie om TMD QD's te synthetiseren

De huidige synthese van TMD-nanomaterialen is gebaseerd op een top-downbenadering waarbij TMD-mineraalertsen worden verzameld en afgebroken van millimeter- tot nanometerschaal via fysieke of chemische middelen. Deze methode, hoewel effectief in het synthetiseren van TMD-nanomaterialen met precisie, is laag in schaalbaarheid en kostbaar omdat het scheiden van de fragmenten van nanomaterialen op grootte meerdere zuiveringsprocessen vereist. Het gebruik van dezelfde methode om TMD QD's van een consistente grootte te produceren, is ook buitengewoon moeilijk vanwege hun minuscule grootte.

Om deze uitdaging te overwinnen, een team van ingenieurs van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van de NUS Faculteit Ingenieurswetenschappen ontwikkelde een nieuwe bottom-up synthesestrategie die consistent TMD QD's van een specifieke grootte kan construeren, een goedkopere en meer schaalbare methode dan de conventionele top-down benadering. De TMD QD's worden gesynthetiseerd door overgangsmetaaloxiden of -chloriden te laten reageren met chalogeneprecursoren onder milde waterige en kamertemperatuuromstandigheden. Door gebruik te maken van de bottom-upbenadering, het team heeft met succes een kleine bibliotheek van zeven TMD QD's gesynthetiseerd en was in staat om hun elektronische en optische eigenschappen dienovereenkomstig te wijzigen.

Universitair hoofddocent David Leong van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen leidde de ontwikkeling van deze nieuwe synthesemethode. Hij legde uit, "Het gebruik van de bottom-upbenadering om TMD QD's te synthetiseren, is als het helemaal opnieuw bouwen van een gebouw met beton, staal en glas onderdeel; het geeft ons volledige controle over het ontwerp en de kenmerken van het gebouw. evenzo, deze bottom-up benadering stelt ons in staat om de verhouding van overgangsmetaalionen en chalcogen-ionen te variëren in de reactie om de TMD QD's te synthetiseren met de eigenschappen die we wensen. In aanvulling, door onze bottom-up benadering, we zijn in staat om nieuwe TMD QD's te synthetiseren die niet van nature voorkomen. Ze kunnen nieuwe eigenschappen hebben die kunnen leiden tot nieuwere toepassingen."

TMD QD's toepassen bij kankertherapie en daarbuiten

Het team van NUS-ingenieurs synthetiseerde vervolgens MoS2 QD's om proof-of-concept biomedische toepassingen te demonstreren. Door hun experimenten, het team toonde aan dat de defecteigenschappen van MoS2 QD's met precisie kunnen worden ontworpen met behulp van de bottom-up benadering om verschillende niveaus van oxidatieve stress te genereren, en kan daarom worden gebruikt voor fotodynamische therapie, een opkomende kankertherapie.

"Fotodynamische therapie maakt momenteel gebruik van lichtgevoelige organische verbindingen die oxidatieve stress produceren om kankercellen te doden. Deze organische verbindingen kunnen een paar dagen in het lichaam blijven en patiënten die dit soort fotodynamische therapie krijgen wordt afgeraden onnodige blootstelling aan fel licht. TMD QD's zoals MoS2 QD's kunnen een veiliger alternatief bieden voor deze organische verbindingen, aangezien sommige overgangsmetalen zoals Mo zelf essentiële mineralen zijn en snel kunnen worden gemetaboliseerd na de fotodynamische behandeling. We zullen verdere tests uitvoeren om dit te verifiëren." Assoc Prof Leong toegevoegd.

Het potentieel van TMD QD's, echter, gaat veel verder dan alleen biomedische toepassingen. Vooruit gaan, het team werkt aan de uitbreiding van zijn bibliotheek van TMD QD's met behulp van de bottom-upstrategie, en om ze te optimaliseren voor andere toepassingen zoals de volgende generatie tv-schermen en elektronische apparaten, geavanceerde elektronische componenten en zelfs zonnecellen.