TVs de tela plana que incorporam pontos quânticos estão agora disponíveis comercialmente, mas tem sido mais difícil criar conjuntos de seus primos alongados, os bastões quânticos, para dispositivos comerciais. Os bastões quânticos podem controlar a polarização e a cor da luz, para gerar imagens 3D para dispositivos de realidade virtual.



Usando estruturas feitas de DNA dobrado, os engenheiros do MIT criaram uma nova maneira de montar com precisão matrizes de bastões quânticos. Ao depositar bastões quânticos em uma estrutura de DNA de forma altamente controlada, os pesquisadores podem regular sua orientação, que é um fator chave na determinação da polarização da luz emitida pelo conjunto. Isso torna mais fácil adicionar profundidade e dimensionalidade a uma cena virtual.

"Um dos desafios dos bastões quânticos é:como alinhá-los todos em nanoescala para que todos apontem na mesma direção?" diz Mark Bathe, professor de engenharia biológica do MIT e autor sênior do novo estudo. "Quando todos apontam na mesma direção em uma superfície 2D, todos têm as mesmas propriedades de como interagem com a luz e controlam sua polarização."

Os pós-doutorandos do MIT, Chi Chen e Xin Luo, são os principais autores do artigo, publicado na revista Science Advances. . Robert Macfarlane, professor associado de ciência e engenharia de materiais; Alexander Kaplan Ph.D. e Moungi Bawendi, Professor de Química Lester Wolfe, também são autores do estudo.

Estruturas em nanoescala

Nos últimos 15 anos, Bathe e outros lideraram o projeto e a fabricação de estruturas em nanoescala feitas de DNA, também conhecidas como origami de DNA. O DNA, uma molécula altamente estável e programável, é um material de construção ideal para estruturas minúsculas que podem ser usadas para uma variedade de aplicações, incluindo entrega de medicamentos, atuação como biossensores ou formação de estruturas para materiais de coleta de luz.

O laboratório de Bathe desenvolveu métodos computacionais que permitem aos pesquisadores simplesmente inserir uma forma alvo em nanoescala que desejam criar, e o programa calculará as sequências de DNA que se automontarão na forma correta. Eles também desenvolveram métodos de fabricação escalonáveis ​​que incorporam pontos quânticos nesses materiais baseados em DNA.

Em um artigo de 2022, Bathe e Chen mostraram que poderiam usar DNA para construir pontos quânticos em posições precisas usando fabricação biológica escalonável. Com base nesse trabalho, eles se uniram ao laboratório de Macfarlane para enfrentar o desafio de organizar bastões quânticos em matrizes 2D, o que é mais difícil porque os bastões precisam estar alinhados na mesma direção.

As abordagens existentes que criam matrizes alinhadas de hastes quânticas usando fricção mecânica com um tecido ou um campo elétrico para varrer as hastes em uma direção tiveram sucesso apenas limitado. Isso ocorre porque a emissão de luz de alta eficiência exige que as hastes sejam mantidas a pelo menos 10 nanômetros uma da outra, para que não "extinguam" ou suprimam a atividade de emissão de luz de seus vizinhos.

Para conseguir isso, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de anexar bastões quânticos a estruturas de origami de DNA em forma de diamante, que podem ser construídas no tamanho certo para manter essa distância. Essas estruturas de DNA são então fixadas a uma superfície, onde se encaixam como peças de um quebra-cabeça.

“As hastes quânticas ficam no origami na mesma direção, então agora você padronizou todas essas hastes quânticas por meio da automontagem em superfícies 2D, e pode fazer isso na escala de mícron necessária para diferentes aplicações, como microLEDs”, diz Bathe. "Você pode orientá-los em direções específicas que sejam controláveis ​​e mantê-los bem separados porque os origamis são embalados e se encaixam naturalmente, como fariam as peças de um quebra-cabeça."

Montando o quebra-cabeça

Como primeiro passo para que esta abordagem funcionasse, os investigadores tiveram que encontrar uma forma de anexar cadeias de ADN aos bastões quânticos. Para fazer isso, Chen desenvolveu um processo que envolve a emulsificação do DNA em uma mistura com os bastões quânticos e, em seguida, a desidratação rápida da mistura, o que permite que as moléculas de DNA formem uma camada densa na superfície dos bastões.

Este processo leva apenas alguns minutos, muito mais rápido do que qualquer método existente para anexar DNA a partículas em nanoescala, o que pode ser fundamental para permitir aplicações comerciais.

"O aspecto único deste método reside em sua aplicabilidade quase universal a qualquer ligante que adora água com afinidade com a superfície das nanopartículas, permitindo que sejam empurrados instantaneamente para a superfície das partículas em nanoescala. Ao aproveitar este método, alcançamos um resultado significativo redução no tempo de fabricação de vários dias para apenas alguns minutos", diz Chen.

Esses filamentos de DNA agem como velcro, ajudando os bastões quânticos a aderirem a um modelo de origami de DNA, que forma uma película fina que reveste uma superfície de silicato. Esta fina película de DNA é formada primeiro por automontagem, unindo modelos de DNA vizinhos por meio de fitas salientes de DNA ao longo de suas bordas.

Os pesquisadores agora esperam criar superfícies em escala de wafer com padrões gravados, o que poderia permitir-lhes dimensionar seu projeto para arranjos de hastes quânticas em escala de dispositivo para inúmeras aplicações, além de apenas microLEDs ou realidade aumentada/realidade virtual.

“O método que descrevemos neste artigo é ótimo porque fornece um bom controle espacial e orientacional de como os bastões quânticos estão posicionados. Os próximos passos serão fazer arrays mais hierárquicos, com estrutura programada em muitas escalas de comprimento diferentes. A capacidade de controlar os tamanhos, formas e posicionamento desses conjuntos de hastes quânticas é uma porta de entrada para todos os tipos de aplicações eletrônicas diferentes”, diz Macfarlane.

"O DNA é particularmente atraente como material de fabricação porque pode ser produzido biologicamente, o que é ao mesmo tempo escalável e sustentável, em linha com a bioeconomia emergente dos EUA. Traduzindo este trabalho para dispositivos comerciais, resolvendo vários gargalos restantes, incluindo a mudança para bastões quânticos ambientalmente seguros , é o que nos concentraremos a seguir", acrescenta Bathe.

Mais informações: Chi Chen et al, Ultrafast Dense DNA Functionalization of Quantum Dots and Rods for Scalable 2D Array Fabrication with Nanoscale Precision, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh8508. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8508
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts