Van het zichtbare naar het infrarood: ontwikkeling van hoogwaardige nanokristallen

Quantum dots, die in 2023 de Nobelprijs voor Scheikunde kregen, hebben een breed scala aan toepassingen, variërend van displays en led-verlichting tot chemische reactiekatalyse en bio-imaging. Deze halfgeleider nanokristallen zijn zo klein (in de orde van nanometers) dat hun eigenschappen (zoals kleur) afhankelijk zijn van de grootte en ze kwantumeigenschappen beginnen te vertonen. Deze technologie is goed ontwikkeld, maar alleen in het zichtbare spectrum, waardoor er onbenutte mogelijkheden zijn voor technologieën in zowel het ultraviolette als het infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum.

In nieuw onderzoek gepubliceerd in NatuursyntheseAndrew Smith, bio-engineeringprofessor aan de University of Illinois in Urbana-Champaign en postdoctoraal onderzoeker Wonseok Lee hebben nanokristallen van kwikselenide (HgSe) en kwikcadmiumselenide (HgCdSe) ontwikkeld die in het infrarood absorberen en uitzenden, gemaakt van reeds goed ontwikkelde, zichtbare spectrum cadmiumselenide (CdSe) precursors. De nieuwe nanokristalproducten behouden de gewenste eigenschappen van de ouderlijke CdSe nanokristallen, waaronder grootte, vorm en uniformiteit.

“Dit is het eerste voorbeeld van infrarode kwantumdots die dezelfde kwaliteit hebben als de dots in het zichtbare spectrum”, aldus Smith.

Hoewel nanokristaltechnologie al meer dan 50 jaar bestaat, zijn alleen nanokristallen die in het zichtbare deel van het spectrum werken, aanzienlijk verbeterd. Smith legt uit: “Ze zijn een groot onderdeel van displayapparaten en een groot onderdeel van elke technologie die licht absorbeert of licht uitzendt. Er is gewoon een intrinsieke drang om een ​​technologie te ontwikkelen die uiteindelijk de grootste markt heeft.”

Naast de vraag van de markt naar zichtbare spectrum nanokristallen, is chemie moeilijker voor materialen in het infrarood, dat een langere golflengte en lagere energie heeft dan licht in het zichtbare spectrum. Om lichtabsorptie en -emissie in het infrarood te bereiken, moeten zwaardere elementen die lager op het periodiek systeem staan, worden gebruikt. Chemie met die elementen is moeilijker, wat leidt tot meer ongewenste nevenreacties en minder voorspelbare reacties. Ze zijn ook gevoelig voor degradatie en zijn gevoelig voor veranderingen in de omgeving, zoals water.

Quantum dot nanokristallen kunnen worden gemaakt van elementaire halfgeleiders, zoals silicium, of ze kunnen binair of ternair zijn. Het mengen van twee elementen kan veel verschillende eigenschappen opleveren. Het mengen van drie elementen kan exponentieel meer eigenschappen opleveren.

“We hebben ons gericht op dit ene type materiaal, een ternaire legering—kwikcadmiumselenide—omdat we denken dat dit het ‘perfecte’ materiaal zou kunnen zijn om te maken,” zegt Smith. “Je zou in principe elke gewenste eigenschap kunnen krijgen door de verhouding van cadmium- en kwikatomen te veranderen. Het kan dit enorme bereik van het elektromagnetische spectrum overspannen—van het gehele infrarood tot het gehele zichtbare spectrum—en zoveel eigenschappen krijgen.”

Smith probeerde dit materiaal al te maken sinds hij nog studeerde, maar tot nu toe was het hem niet gelukt. Zelfs in de bredere onderzoeksgemeenschap waren er tot nu toe geen berichten over succes.

“De manier waarop we het deden was door [one of] de reeds geperfectioneerde, zichtbare; cadmiumselenide, dat wordt beschouwd als de meest ontwikkelde kwantumdot, en gebruikte het als een ‘offermal’, zegt hij.

Door de cadmiumatomen te vervangen door kwikatomen, wordt alles direct naar het infraroodspectrum verplaatst, maar blijven alle gewenste eigenschappen behouden: sterke lichtabsorptie, sterke lichtemissie en homogeniteit.

Om dit te doen, moesten Smith en Lee de traditionele synthesemethode voor nanokristallen laten varen, waarbij de precursorelementen worden gemengd. Onder de juiste omstandigheden ontbinden ze in de gewenste nanokristalvorm. Het blijkt dat er geen omstandigheden zijn die iemand heeft gevonden die werken voor kwik, cadmium en selenide.

“Lee ontwikkelde een nieuw proces genaamd interdiffusion enhanced cation exchange”, zegt Smith. “In dit proces voegen we een vierde element toe, zilver, dat defecten in het materiaal introduceert waardoor alles homogeen met elkaar vermengd raakt. En dat loste het hele probleem op.”

Hoewel quantum dots veel toepassingen hebben, is een toepassing voor infrarood quantum dots met het potentieel om de meeste impact te hebben, het gebruik als moleculaire probes voor beeldvorming, waarbij ze in biologische systemen kunnen worden geplaatst en in weefsels kunnen worden gedetecteerd. Omdat de meeste quantum dots in het zichtbare spectrum uitzenden, kunnen alleen emissies nabij het huidoppervlak worden gedetecteerd. Biologie is echter redelijk transparant in het infrarood en daarom kunnen diepere weefsels worden onderzocht.

Muizen zijn de standaardmodellen voor de meeste ziektes en Smith legt uit dat onderzoekers met quantum dots die in het infrarood uitzenden, bijna volledig door een levend knaagdier heen kunnen kijken om de fysiologie en de locaties van specifieke moleculen in het lichaam te bekijken. Dit zal een beter begrip van biologische processen mogelijk maken en therapeutische middelen ontwikkelen zonder dat de muizen hoeven te worden opgeofferd, wat mogelijk de preklinische ontwikkeling van medicijnen verandert.