Исследователи MTI улучшают производительность квантовых точек
Новый метод производства может обеспечить все, от более эффективных компьютерных дисплеев до расширенных биомедицинских испытаний.
Дэвид Л. Чандлер, отдел новостей Массачусетского технологического института
Новые квантовые точки «сочетают в себе все эти атрибуты, которые люди считают важными, в то же время», — говорит Мунги Бавенди, профессор химии Лестера Вулфа.
Новые квантовые точки «сочетают в себе все эти атрибуты, которые люди считают важными, в то же время», — говорит Мунги Бавенди, профессор химии Лестера Вулфа.
Квантовые точки — крошечные частицы, которые излучают ослепительный спектр светящихся цветов — имеют потенциал для многих приложений, но столкнулись с рядом препятствий на пути к повышению производительности. Но команда Массачусетского технологического института говорит, что им удалось преодолеть все эти препятствия сразу, в то время как более ранние усилия были в состоянии справиться с ними только по одному или нескольким за раз.
Квантовые точки — в данном случае особый тип, называемый коллоидными квантовыми точками — представляют собой крошечные частицы полупроводникового материала, которые настолько малы, что их свойства отличаются от свойств объемного материала: они частично регулируются законами квантовой механики, которые описывают, как ведут себя атомы и субатомные частицы. При освещении ультрафиолетовым светом точки ярко флуоресцируют в диапазоне цветов, определяемых размерами частиц.
Эти материалы, впервые обнаруженные в 1980-х годах, были в центре интенсивных исследований из-за их потенциала для обеспечения значительных преимуществ в самых разных оптических приложениях, но их фактическое использование было ограничено несколькими факторами. Теперь исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature Materials постдоком по химии Массачусетского технологического института Оу Ченом, Мунги Бавенди, профессором химии Лестера Вулфа и некоторыми другими, дает надежду на то, что все эти ограничивающие факторы можно преодолеть.
Новый процесс, разработанный командой Массачусетского технологического института, позволяет получать квантовые точки с четырьмя важными качествами: одинаковыми размерами и формами; яркие выбросы, обеспечивающие почти 100-процентную эффективность выбросов; очень узкий пик излучения, а это означает, что цвета, излучаемые частицами, можно точно контролировать; и устранение тенденции мигать и выключаться, что ограничивало полезность более ранних приложений квантовых точек.
Разноцветные биологические красители
Например, одним из потенциальных применений, представляющим большой интерес для исследователей, является замена обычных флуоресцентных красителей, используемых в медицинских тестах и исследованиях. Квантовые точки могут иметь несколько преимуществ перед красителями, в том числе способность маркировать многие виды клеток и тканей разными цветами из-за их способности производить такие узкие, точные цветовые вариации. Но эффект мерцания препятствует их использованию: в быстротечных биологических процессах иногда можно потерять след одной молекулы, когда связанная с ней квантовая точка мигает.
По словам Чена, предыдущие попытки решить одну проблему с квантовыми точками, как правило, усугубляли другие. Например, чтобы подавить эффект мерцания, частицы делались с толстыми оболочками, но это нивелировало некоторые преимущества их малого размера.
По словам Бавенди, небольшой размер этих новых точек важен для потенциальных биологических приложений. «[Наши] точки размером примерно с белковую молекулу», — говорит он. Если вы хотите пометить что-то в биологической системе, говорит он, метка должна быть достаточно маленькой, чтобы она не переполняла образец и не влияла существенно на его поведение.
Квантовые точки также считаются потенциально полезными для создания энергоэффективных компьютерных и телевизионных экранов. Хотя такие дисплеи производятся с использованием существующей технологии квантовых точек, их производительность можно улучшить за счет использования точек с точно контролируемыми цветами и более высокой эффективностью.
Поэтому недавние исследования были сосредоточены на «свойствах, которые нам действительно необходимы для улучшения применения [точек] в качестве излучателей света», — говорит Бавенди, — именно эти свойства успешно продемонстрировали новые результаты. По его словам, новые квантовые точки впервые «сочетают в себе все эти атрибуты, которые люди считают важными, одновременно».
Новые частицы были сделаны с ядром из полупроводникового материала (селенид кадмия) и тонкими оболочками из другого полупроводника (сульфид кадмия). Они продемонстрировали очень высокую эффективность излучения (97 процентов), а также небольшие, однородные размеры и узкие пики излучения. Мигание было сильно подавлено, а это означает, что точки остаются «включенными» в 94 процентах случаев.
По словам Чена, ключевым фактором в достижении этими частицами всех желаемых характеристик было их медленное выращивание в растворе, что позволяло более точно контролировать их свойства. «Очень важна скорость синтеза, — говорит он, — чтобы дать каждому атому достаточно времени, чтобы попасть в нужное место».
По его словам, медленный рост должен облегчить масштабирование до больших объемов производства, потому что это упрощает использование больших контейнеров без потери контроля над конечными размерами частиц. Чен ожидает, что первые полезные приложения этой технологии могут начать появляться в течение двух лет.
Тэхван Хён, директор Центра исследований наночастиц в Сеульском национальном университете в Корее, который не участвовал в этом исследовании, говорит: «Это очень впечатляет, потому что, используя, казалось бы, очень простой подход — то есть поддержание медленной скорости роста — они смогли точно контролировать толщину оболочки, что позволило им синтезировать очень однородные квантовые точки небольшого размера». Эта работа, по его словам, решает одну из «ключевых задач» в этой области и «может найти применение в биомедицинских изображениях, а также может быть использована для твердотельного освещения и дисплеев».
Помимо Чена и Бавенди, в команду вошли семь других студентов и постдоков Массачусетского технологического института, а также два исследователя из Массачусетской больницы общего профиля и Гарвардской медицинской школы. Работа была поддержана Национальным институтом здравоохранения, Армейским исследовательским бюро через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института и Национальным научным фондом через программу совместных исследований в области химии.
ДОЛЯЭТА НОВОСТНАЯ СТАТЬЯ О:
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ
- Мунги Бавенди
- Бавенди Групп
- Центр экситоники
- Кафедра химии
- АРХИВ: «Исследователи объясняют, как нанотрубки на основе красителей могут помочь собирать энергию света»
ПОХОЖИЕ ТЕМЫ
- Химия и химическое машиностроение
- Биомедицина
- Электроника
- Физика
- Исследовательская работа
- Квантовые точки
- Биомедицинские материалы
- Экраны дисплея
- ВЕЛ
- Факультет
- Выпускник, постдокторант
Другие новости Массачусетского технологического института
Подготовка онлайн-учащихся со всего мира к переходу на экологически чистую энергию
Курс EDX MIT Energy Initiative предлагает студентам переосмыслить то, как мы эксплуатируем энергосистемы.
Нэнси Канвишер получает премию Национальной академии наук в области неврологии
Профессор и когнитивный нейробиолог, получивший признание за новаторскую работу в области функциональной организации человеческого мозга.
Почему головы комет зеленые, а хвосты нет?
Случайное открытие и любовь к спектроскопическим возмущениям приводят к решению загадки 90-летней давности.
РНК-вакцины легче проглатывать
Таблетка, которая высвобождает РНК в желудке, может предложить новый способ введения вакцин или лечения желудочно-кишечных заболеваний.
Ускорение поиска энергоэффективных материалов
Докторант Нина Андреевич сочетает методы спектроскопии и машинного обучения для выявления новых и ценных свойств материи.
Научная школа объявляет награду Infinite Expansion Awards 2022
Восемь постдоков и ученых-исследователей Школы наук отмечены наградами за вклад в работу Института.