Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Arrays van kwantumstaven kunnen televisies of virtual reality-apparaten verbeteren, suggereert onderzoek

MIT-postdocs Chi Chen en Xin Luo zijn de hoofdauteurs van het artikel, dat verscheen in Science Advances . Robert Macfarlane, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek; Alexander Kaplan Ph.D. en Moungi Bawendi, de Lester Wolfe hoogleraar scheikunde, zijn ook auteurs van het onderzoek.

Structures op nanoschaal

De afgelopen vijftien jaar hebben Bathe en anderen leiding gegeven aan het ontwerp en de fabricage van structuren op nanoschaal gemaakt van DNA, ook wel bekend als DNA-origami. DNA, een zeer stabiel en programmeerbaar molecuul, is een ideaal bouwmateriaal voor kleine structuren die voor een verscheidenheid aan toepassingen kunnen worden gebruikt, waaronder het afleveren van medicijnen, het fungeren als biosensoren of het vormen van steigers voor het verzamelen van licht.

Het laboratorium van Bathe heeft computationele methoden ontwikkeld waarmee onderzoekers eenvoudigweg een doelvorm op nanoschaal kunnen invoeren die ze willen creëren, en het programma berekent de DNA-sequenties die zichzelf in de juiste vorm zullen assembleren. Ze ontwikkelden ook schaalbare fabricagemethoden die kwantumdots in deze op DNA gebaseerde materialen integreren.

In een artikel uit 2022 lieten Bathe en Chen zien dat ze DNA konden gebruiken om kwantumdots in precieze posities te positioneren met behulp van schaalbare biologische fabricage. Voortbouwend op dat werk gingen ze samenwerken met het laboratorium van Macfarlane om de uitdaging aan te pakken van het rangschikken van kwantumstaven in 2D-arrays, wat moeilijker is omdat de staven in dezelfde richting moeten worden uitgelijnd.

Bestaande benaderingen die uitgelijnde reeksen kwantumstaven creëren door mechanisch wrijven met een stof of een elektrisch veld om de staven in één richting te bewegen, hebben slechts beperkt succes gehad. Dit komt omdat voor een hoog rendement lichtemissie vereist is dat de staafjes op minimaal 10 nanometer afstand van elkaar worden gehouden, zodat ze de lichtuitstralende activiteit van hun buren niet zullen "uitdoven" of onderdrukken.

Om dat te bereiken bedachten de onderzoekers een manier om kwantumstaven te bevestigen aan ruitvormige DNA-origamistructuren, die op de juiste maat kunnen worden gebouwd om die afstand te behouden. Deze DNA-structuren worden vervolgens aan een oppervlak bevestigd, waar ze als puzzelstukjes in elkaar passen.

"De kwantumstaven zitten in dezelfde richting op de origami, dus nu heb je al deze kwantumstaven door middel van zelfassemblage op 2D-oppervlakken van een patroon voorzien, en dat kun je doen op de micronschaal die nodig is voor verschillende toepassingen zoals microLED's", zegt Bathe. "Je kunt ze in specifieke richtingen oriënteren die controleerbaar zijn en ze goed gescheiden houden, omdat de origami's verpakt zijn en van nature in elkaar passen, zoals puzzelstukjes zouden doen."

De puzzel in elkaar zetten

Als eerste stap om deze aanpak te laten werken, moesten de onderzoekers een manier bedenken om DNA-strengen aan de kwantumstaven te bevestigen. Om dat te doen heeft Chen een proces ontwikkeld waarbij DNA wordt geëmulgeerd tot een mengsel met de kwantumstaven, waarna het mengsel snel wordt gedehydrateerd, waardoor de DNA-moleculen een dichte laag op het oppervlak van de staven kunnen vormen.

Dit proces duurt slechts een paar minuten, veel sneller dan welke bestaande methode dan ook om DNA aan deeltjes op nanoschaal te hechten, wat van cruciaal belang kan zijn om commerciële toepassingen mogelijk te maken.

"Het unieke aspect van deze methode ligt in de vrijwel universele toepasbaarheid op elk waterminnend ligand met affiniteit voor het oppervlak van nanodeeltjes, waardoor ze onmiddellijk op het oppervlak van de deeltjes op nanoschaal kunnen worden geduwd. Door deze methode te gebruiken, hebben we een significante verbetering bereikt." vermindering van de productietijd van enkele dagen naar slechts een paar minuten", zegt Chen.

Deze DNA-strengen werken dan als klittenband, waardoor de kwantumstaven aan een DNA-origami-sjabloon blijven kleven, dat een dunne film vormt die een silicaatoppervlak bedekt. Deze dunne DNA-film wordt eerst gevormd via zelfassemblage door aangrenzende DNA-sjablonen samen te voegen via overhangende DNA-strengen langs hun randen.

De onderzoekers hopen nu oppervlakken op wafelschaal te creëren met geëtste patronen, waardoor ze hun ontwerp kunnen schalen naar opstellingen van kwantumstaven op apparaatschaal voor talloze toepassingen, die verder gaan dan alleen microLED's of augmented reality/virtual reality.

"De methode die we in dit artikel beschrijven is geweldig omdat deze een goede ruimtelijke en oriëntatiecontrole biedt over hoe de kwantumstaven worden gepositioneerd. De volgende stappen zullen het maken van arrays zijn die meer hiërarchisch zijn, met een geprogrammeerde structuur op veel verschillende lengteschalen. De mogelijkheid om de afmetingen, vormen en plaatsing van deze kwantumstaafarrays te controleren is een toegangspoort tot allerlei verschillende elektronische toepassingen", zegt Macfarlane.

“DNA is bijzonder aantrekkelijk als productiemateriaal omdat het biologisch kan worden geproduceerd, wat zowel schaalbaar als duurzaam is, in lijn met de opkomende Amerikaanse bio-economie. Dit werk vertalen naar commerciële apparaten door verschillende resterende knelpunten op te lossen, waaronder het overstappen op milieuveilige kwantumstaven , is waar we ons nu op concentreren", voegt Bathe toe.

Meer informatie: Chi Chen et al., Ultrasnelle Dense DNA-functionalisatie van Quantum Dots en Rods voor schaalbare 2D-arrayfabricage met precisie op nanoschaal, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh8508. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8508

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Fokresistente kippen voor verbeterde voedselveiligheid
  2. Rijke moleculaire taal begeleidt de vorming van kleine vloeistofdruppels in cellen
  3. De eerste warmbloedige dinosaurussen zijn mogelijk 180 miljoen jaar geleden ontstaan
  4. Een zwaartekrachttheorie ontwikkelen voor ecologie
  5. Hoe watervlooien zich verdedigen tegen vleesetende planten
  6. In de winkel gekochte kroontjeskruidplanten kunnen monarchrupsen blootstellen aan schadelijke pesticiden
  7. Waarom lijken haaienbeten dodelijker in Australië dan elders?
  8. Britse rundvleesboeren willen overstappen naar netto nul, maar praktische en financiële belemmeringen staan ​​in de weg
  9. Genomics onthult hoe concurrentie tussen bacteriën de impact van vaccinatie beïnvloedt

Wetenschap