Los televisores de pantalla plana que incorporan puntos cuánticos ahora están disponibles comercialmente, pero ha sido más difícil crear conjuntos de sus primos alargados, las barras cuánticas, para dispositivos comerciales. Las varillas cuánticas pueden controlar tanto la polarización como el color de la luz, para generar imágenes 3D para dispositivos de realidad virtual.
Utilizando andamios hechos de ADN plegado, los ingenieros del MIT han ideado una nueva forma de ensamblar con precisión conjuntos de varillas cuánticas. Al depositar barras cuánticas en una estructura de ADN de forma altamente controlada, los investigadores pueden regular su orientación, que es un factor clave para determinar la polarización de la luz emitida por la matriz. Esto hace que sea más fácil agregar profundidad y dimensionalidad a una escena virtual.
"Uno de los desafíos con las barras cuánticas es:¿Cómo alinearlas todas en la nanoescala para que apunten en la misma dirección?" dice Mark Bathe, profesor de ingeniería biológica del MIT y autor principal del nuevo estudio. "Cuando todos apuntan en la misma dirección en una superficie 2D, todos tienen las mismas propiedades de interacción con la luz y controlan su polarización".
Los postdoctorados del MIT Chi Chen y Xin Luo son los autores principales del artículo, que apareció en Science Advances. . Robert Macfarlane, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales; Alexander Kaplan Ph.D. y Moungi Bawendi, profesor de química Lester Wolfe, también son autores del estudio.
Durante los últimos 15 años, Bathe y otros han liderado el diseño y la fabricación de estructuras a nanoescala hechas de ADN, también conocidas como origami de ADN. El ADN, una molécula altamente estable y programable, es un material de construcción ideal para estructuras diminutas que podrían usarse para una variedad de aplicaciones, incluida la administración de medicamentos, actuando como biosensores o formando andamios para materiales que captan luz.
El laboratorio de Bathe ha desarrollado métodos computacionales que permiten a los investigadores simplemente ingresar la forma objetivo a nanoescala que desean crear, y el programa calculará las secuencias de ADN que se autoensamblarán en la forma correcta. También desarrollaron métodos de fabricación escalables que incorporan puntos cuánticos en estos materiales basados en ADN.
En un artículo de 2022, Bathe y Chen demostraron que podían utilizar el ADN para estructurar puntos cuánticos en posiciones precisas mediante fabricación biológica escalable. A partir de ese trabajo, se asociaron con el laboratorio de Macfarlane para abordar el desafío de organizar barras cuánticas en matrices 2D, lo cual es más difícil porque las barras deben estar alineadas en la misma dirección.
Los enfoques existentes que crean conjuntos alineados de varillas cuánticas mediante el roce mecánico con una tela o un campo eléctrico para barrer las varillas en una dirección solo han tenido un éxito limitado. Esto se debe a que la emisión de luz de alta eficiencia requiere que las barras se mantengan a una distancia de al menos 10 nanómetros entre sí, para que no "apaguen" o supriman la actividad emisora de luz de sus vecinas.
Para lograrlo, los investigadores idearon una forma de unir varillas cuánticas a estructuras de origami de ADN con forma de diamante, que pueden construirse con el tamaño adecuado para mantener esa distancia. Luego, estas estructuras de ADN se unen a una superficie, donde encajan como piezas de un rompecabezas.
"Las barras cuánticas se asientan en el origami en la misma dirección, por lo que ahora ha modelado todas estas barras cuánticas mediante autoensamblaje en superficies 2D, y puede hacerlo en la escala de micrones necesaria para diferentes aplicaciones como microLED", dice Bathe. "Puedes orientarlos en direcciones específicas que sean controlables y mantenerlos bien separados porque los origamis están empaquetados y encajan naturalmente, como lo harían las piezas de un rompecabezas".
Como primer paso para que este enfoque funcionara, los investigadores tuvieron que idear una manera de unir hebras de ADN a las barras cuánticas. Para ello, Chen desarrolló un proceso que implica emulsionar el ADN en una mezcla con las varillas cuánticas y luego deshidratar rápidamente la mezcla, lo que permite que las moléculas de ADN formen una capa densa en la superficie de las varillas.
Este proceso lleva sólo unos minutos, mucho más rápido que cualquier método existente para unir ADN a partículas a nanoescala, lo que puede ser clave para permitir aplicaciones comerciales.
"El aspecto único de este método radica en su aplicabilidad casi universal a cualquier ligando amante del agua con afinidad por la superficie de la nanopartícula, lo que les permite ser empujados instantáneamente hacia la superficie de las partículas a nanoescala. Al aprovechar este método, logramos un importante reducción del tiempo de fabricación de varios días a sólo unos minutos", afirma Chen.
Estas hebras de ADN actúan entonces como velcro, ayudando a que las varillas cuánticas se adhieran a una plantilla de origami de ADN, que forma una película delgada que recubre una superficie de silicato. Esta fina película de ADN se forma primero mediante autoensamblaje uniendo plantillas de ADN vecinas mediante hebras de ADN que sobresalen a lo largo de sus bordes.
Los investigadores ahora esperan crear superficies a escala de oblea con patrones grabados, lo que podría permitirles escalar su diseño a disposiciones de varillas cuánticas a escala de dispositivo para numerosas aplicaciones, más allá de los microLED o la realidad aumentada/virtual.
"El método que describimos en este artículo es excelente porque proporciona un buen control espacial y de orientación de cómo se colocan las barras cuánticas. Los próximos pasos serán crear matrices que sean más jerárquicas, con una estructura programada en muchas escalas de longitud diferentes. La capacidad de controlar los tamaños, las formas y la ubicación de estos conjuntos de varillas cuánticas es una puerta de entrada a todo tipo de aplicaciones electrónicas diferentes", afirma Macfarlane.
"El ADN es particularmente atractivo como material de fabricación porque puede producirse biológicamente, lo que es a la vez escalable y sostenible, en línea con la bioeconomía emergente de los EE. UU. Traducir este trabajo a dispositivos comerciales resolviendo varios cuellos de botella restantes, incluido el cambio a barras cuánticas ambientalmente seguras. , es en lo que nos centraremos a continuación", añade Bathe.
Más información: Chi Chen et al, Funcionalización ultrarrápida del ADN denso de puntos y varillas cuánticos para la fabricación escalable de matrices 2D con precisión a nanoescala, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh8508. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8508
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
