Preparar pontos quânticos semicondutores às vezes é mais uma arte negra do que uma ciência. Isso representa um obstáculo para um maior progresso em, por exemplo, criando melhores células solares ou dispositivos de iluminação, onde os pontos quânticos oferecem vantagens únicas que seriam particularmente úteis se pudessem ser usados ​​como blocos de construção básicos para a construção de arquiteturas em nanoescala maiores.

Andrew Greytak, um químico na Faculdade de Artes e Ciências da Universidade da Carolina do Sul, está liderando uma equipe de pesquisa que está tornando o processo de síntese de pontos quânticos muito mais sistemático. Seu grupo acaba de publicar um artigo em Química de Materiais detalhando um novo método eficaz para purificar nanocristais de CdSe com propriedades de superfície bem definidas.

Seu processo usa cromatografia de permeação em gel (GPC) para separar pontos quânticos de impurezas de pequenas moléculas, e a equipe foi além na caracterização dos nanocristais por uma variedade de métodos analíticos. Uma comparação de seus pontos quânticos purificados com aqueles purificados pelo método tradicional de múltiplos ciclos de solvatação e precipitação ressaltou a utilidade do novo método na preparação de nanocristais semicondutores uniformes altamente passíveis de manipulação sintética posterior.

Pontos quânticos

Pontos quânticos, que são nanocristais com diâmetros na faixa de 5-10 nanômetros, têm propriedades ópticas e outras propriedades físicas diferentes daquelas de cristais maiores. O tamanho reduzido permite que eles absorvam e emitam cores diferentes das grandes quantidades do mesmo composto por causa dos efeitos da mecânica quântica; eles também têm proporções de superfície para volume muito grandes e podem ser sensíveis a tratamentos de superfície.

O laboratório de Greytak normalmente prepara pontos quânticos em solventes hidrofóbicos (como 1-octadeceno), então eles saem "tampados" com moléculas hidrofóbicas e se dissolvem prontamente em solventes não polares. "A forma como o processo funciona, você sempre tem uma quantidade significativa de matéria-prima não reagida, solventes de alto ponto de ebulição e surfactantes extras que são importantes para a síntese, "disse Greytak." Mas assim que a síntese estiver completa, são impurezas que precisam ser removidas. "

O método histórico de purificação de pontos quânticos são os ciclos de solvatação, precipitação (como com álcool), decantação de impurezas e re-solvatação. Embora o método esteja em uso há cerca de 20 anos, tem uma deficiência fundamental.

"Com o processo de precipitação e redissolução, não está realmente fazendo a separação com base no tamanho da partícula, está fazendo isso com base na solubilidade, "disse Greytak." Então, se você tem impurezas com qualidades de solubilidade semelhantes às da partícula, eles não são removidos. "

Cromatografia de permeação em gel

Greytak dirigiu sua equipe, que incluiu alunos de pós-graduação Yi Shen, Megan Gee e Rui Tan, no desenvolvimento de GPC como uma alternativa altamente eficaz. Uma técnica de exclusão de tamanho, O GPC separa as espécies químicas de acordo com o peso molecular e é comumente usado com macromoléculas.

Em comparação com os materiais preparados através do processo de precipitação e re-solvatação, os pontos quânticos purificados por GPC tinham uma estabilidade muito melhor em alta temperatura. Além disso, uma série de medições de NMR auxiliadas pelo professor associado de pesquisa da USC, Perry Pellechia, indicou que o método GPC era muito mais eficaz na remoção de ligantes fracamente adsorvidos da superfície do ponto quântico.

Levando um processo sintético adiante

A equipe examinou ainda a adequação dos pontos quânticos para posterior manipulação sintética. Novamente, os produtos purificados por GPC eram superiores, tanto no crescimento da camada CdS em pontos quânticos de CdSe, quanto na troca de ligante de cisteína em pontos quânticos CdSe / CdxZn1-xS.

Greytak vê o método como um passo fundamental para ser capaz de manipular ainda mais os pontos quânticos, seja na construção de arquiteturas maiores ou na afirmação de controle sobre como os coloides nanocristais se comportam em solução.

"O que gostamos de dizer é que estamos desenvolvendo um sequencial, química preparativa para nanocristais semicondutores, "disse Greytak." Na maior parte da química sintética, você tem um material inicial, você faz uma reação, e você prossegue por uma série de intermediários com estruturas bem definidas que podem ser isoladas. Para um nanomaterial, é muito mais difícil, porque não estamos fazendo moléculas, estamos criando uma população de partículas que tem, Digamos, um raio de dois nanômetros. Eles não são todos idênticos, e alcançar um produto consistente tem sido um desafio, tanto em termos de como isolá-lo e caracterizá-lo.

"Então, estamos realmente trabalhando para poder caracterizar uma amostra, com, digamos NMR e análise termogravimétrica, e ser capaz de realmente prever com confiança como vai reagir em uma etapa subsequente. "