Arrays van kwantumstaven kunnen tv’s of virtual reality-apparaten verbeteren, suggereert onderzoek

Flatscreen-tv’s met kwantumstippen zijn nu in de handel verkrijgbaar, maar het was moeilijker om reeksen van hun langwerpige neven, kwantumstaven, te maken voor commerciële apparaten. Kwantumstaven kunnen zowel de polarisatie als de kleur van licht regelen om 3D-beelden te genereren voor virtual reality-apparaten.

Met behulp van steigers gemaakt van gevouwen DNA hebben MIT-ingenieurs een nieuwe manier bedacht om reeksen kwantumstaven nauwkeurig samen te stellen. Door kwantumstaven op een zeer gecontroleerde manier op een DNA-steiger te plaatsen, kunnen de onderzoekers hun oriëntatie reguleren, wat een sleutelfactor is bij het bepalen van de polarisatie van het licht dat door de array wordt uitgezonden. Dit maakt het gemakkelijker om diepte en dimensionaliteit toe te voegen aan een virtuele scène.

“Een van de uitdagingen met kwantumstaven is: hoe lijn je ze allemaal uit op nanoschaal zodat ze allemaal in dezelfde richting wijzen?” zegt Mark Bathe, een MIT-professor biologische engineering en de senior auteur van de nieuwe studie. “Als ze allemaal in dezelfde richting wijzen op een 2D-oppervlak, hebben ze allemaal dezelfde eigenschappen van hoe ze omgaan met licht en de polarisatie ervan beheersen.”

MIT-postdocs Chi Chen en Xin Luo zijn de hoofdauteurs van de paper, die verscheen in Wetenschappelijke vooruitgang. Robert Macfarlane, universitair hoofddocent materiaalkunde en -techniek; Alexander Kaplan Ph.D. en Moungi Bawendi, de Lester Wolfe hoogleraar scheikunde, zijn ook auteurs van de studie.

Structuren op nanoschaal

In de afgelopen 15 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 kunnen worden gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder het toedienen van medicijnen, het fungeren als biosensoren of het vormen van steigers voor materialen die licht oogsten.

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

In een 2022 papier, toonden Bathe en Chen aan dat ze DNA konden gebruiken om kwantumdots in precieze posities te plaatsen met behulp van schaalbare biologische fabricage. Voortbouwend op dat werk werkten ze samen met het laboratorium van Macfarlane om de uitdaging aan te gaan om kwantumstaven in 2D-arrays te rangschikken, wat moeilijker is omdat de staven in dezelfde richting moeten worden uitgelijnd.

Bestaande benaderingen die uitgelijnde reeksen kwantumstaven creëren door middel van mechanisch wrijven met een stof of een elektrisch veld om de staven in één richting te vegen, hebben slechts beperkt succes gehad. Dit komt omdat zeer efficiënte lichtemissie vereist dat de staven ten minste 10 nanometer van elkaar worden gehouden, zodat ze de lichtuitstralende activiteit van hun buren niet “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 vastgemaakt aan een oppervlak, waar ze als puzzelstukjes in elkaar passen.

“De kwantumstaven zitten in dezelfde richting op de origami, dus nu heb je al deze kwantumstaven van een patroon voorzien door zelfassemblage op 2D-oppervlakken, en je kunt dat doen op de micronschaal die nodig is voor verschillende toepassingen zoals microLED’s”, zegt Bathe. “Je kunt ze in specifieke richtingen oriënteren die bestuurbaar zijn en ze goed gescheiden houden omdat de origami’s verpakt zijn en van nature in elkaar passen, zoals puzzelstukjes dat 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, ontwikkelde Chen een proces 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 elke bestaande methode om DNA aan deeltjes op nanoschaal te bevestigen, wat de sleutel kan zijn om commerciële toepassingen mogelijk te maken.

“Het unieke aspect van deze methode ligt in de bijna universele toepasbaarheid op elke waterminnende ligand met affiniteit voor het oppervlak van nanodeeltjes, waardoor ze onmiddellijk op het oppervlak van de deeltjes op nanoschaal kunnen worden geduwd. Door gebruik te maken van deze methode hebben we een aanzienlijk verkorting van de productietijd van enkele dagen tot slechts enkele minuten”, zegt Chen.

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

De onderzoekers hopen nu oppervlakken op waferschaal met geëtste patronen te creëren, waardoor ze hun ontwerp kunnen schalen naar rangschikkingen van kwantumstaven op apparaatschaal voor tal van toepassingen, verder dan alleen microLED’s of augmented reality/virtual reality.

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

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