Helderheid is een belangrijke maatstaf voor kwantumdots en hangt samen met het aantal fotonen dat de kwantumdot per seconde uitzendt. Quantum dots stralen fotonen uit met een specifieke kleur (en dus frequentie) nadat ze bijvoorbeeld zijn geëxciteerd door ultraviolet licht met een hogere frequentie.
Dit leidt tot de vorming van een exciton bestaande uit een elektron, dat nu vrijer kan bewegen, en een gat – met andere woorden:een ontbrekend elektron – in de energetische bandenstructuur van het materiaal. Het aangeslagen elektron kan terugvallen naar een lagere energietoestand en zo recombineren met het gat. Als de energie die daarbij vrijkomt, wordt omgezet in een foton, zendt de quantum dot licht uit.
Dit werkt echter niet altijd. "Aan het oppervlak van de perovskiet-nanokristallen bevinden zich 'ongelukkige' atomen die een buur in het kristalrooster missen", legt senior onderzoeker Gabriele Raino uit. Deze randatomen verstoren de balans tussen positieve en negatieve ladingsdragers in het nanokristal en kunnen ervoor zorgen dat de energie die vrijkomt bij een recombinatie wordt omgezet in roostertrillingen in plaats van te worden uitgestraald als licht. Als gevolg hiervan "knippert" de quantum dot, wat betekent dat hij niet continu schijnt.
Om dit te voorkomen hebben Kovalenko en zijn team op maat gemaakte moleculen ontwikkeld die bekend staan als fosfolipiden. “Deze fosfolipiden lijken sterk op de liposomen waarin bijvoorbeeld het mRNA-vaccin tegen het coronavirus zo is ingebed dat het stabiel in de bloedbaan blijft totdat het de cellen bereikt”, legt Kovalenko uit.
Een belangrijk verschil:de onderzoekers optimaliseerden hun moleculen zo dat het polaire (elektrisch gevoelige) deel van het molecuul zich vasthecht aan het oppervlak van de perovskiet-kwantumdots en ervoor zorgt dat de ‘ongelukkige’ atomen worden voorzien van een ladingspartner.
Het niet-polaire deel van het fosfolipide dat aan de buitenkant uitsteekt, maakt het ook mogelijk om kwantumdots om te zetten in een dispersie in niet-waterige oplossingen zoals organische oplosmiddelen. De lipidecoating op het oppervlak van de perovskiet-nanokristallen is ook belangrijk voor hun structurele stabiliteit, zoals Kovalenko benadrukt:"Deze oppervlaktebehandeling is absoluut essentieel voor alles wat we met de kwantumdots zouden willen doen."
Tot nu toe hebben Kovalenko en zijn team de behandeling gedemonstreerd voor kwantumdots gemaakt van loodhalide-perovskieten, maar deze kan ook gemakkelijk worden aangepast aan andere metaalhalogenide-kwantumdots.