Квантовые стержни открывают трехмерную глубину изображений виртуальной реальности

Телевизоры с плоским экраном, в которых используются квантовые точки, уже поступили в продажу, однако создание массивов их удлиненных родственников — квантовых стержней — для коммерческих устройств оказалось более сложной задачей.

Квантовые стержни могут управлять поляризацией и цветом света, что позволяет создавать трехмерные изображения для устройств виртуальной реальности.

Инженеры Массачусетского технологического института предложили новый способ точной сборки массивов квантовых стержней, используя подложки из свернутой ДНК. Нанося квантовые стержни на ДНК-скаффолд в строго контролируемом режиме, исследователи могут регулировать их ориентацию, которая является ключевым фактором, определяющим поляризацию света, излучаемого массивом. Это позволяет придать виртуальной сцене глубину и размерность.

Одна из проблем, связанных с квантовыми стержнями, заключается в следующем: Как выстроить их на наноуровне так, чтобы все они были направлены в одну сторону? — говорит Марк Бате (Mark Bathe), профессор биологической инженерии Массачусетского технологического института и старший автор нового исследования.

Когда все они направлены в одну сторону на двумерной поверхности, то все они обладают одинаковыми свойствами по взаимодействию со светом и управлению его поляризацией.

Постдоки Массачусетского технологического института Чи Чен и Синь Луо — ведущие авторы работы, опубликованной сегодня в журнале Science Advances. Роберт Макфарлейн, доцент кафедры материаловедения и инженерии, Александр Каплан, PhD '23, и Мунги Бавенди, профессор химии Лестера Вулфа, также являются авторами исследования.

Наноразмерные структуры

В течение последних 15 лет Батэ и другие ученые возглавляли работы по разработке и изготовлению наноразмерных структур из ДНК, известных также как ДНК-оригами. ДНК, высокостабильная и программируемая молекула, является идеальным строительным материалом для создания крошечных структур, которые могут быть использованы для различных целей, включая доставку лекарств, работу в качестве биосенсоров или формирование каркасов для светоулавливающих материалов.

В лаборатории Бате разработаны вычислительные методы, позволяющие исследователям просто ввести целевую наноразмерную форму, которую они хотят создать, и программа рассчитает последовательности ДНК, которые будут самособираться в нужную форму. Они также разработали масштабируемые методы изготовления, позволяющие включать квантовые точки в эти материалы на основе ДНК.

В работе, опубликованной в 2022 году, Батэ и Чен показали, что они могут использовать ДНК для установки квантовых точек в точные позиции с помощью масштабируемого биологического производства. Основываясь на этой работе, они совместно с лабораторией Макфарлейна решили задачу организации квантовых стержней в двумерные массивы, что сложнее, поскольку стержни должны быть выровнены в одном направлении.

Существующие подходы к созданию выровненных массивов квантовых стержней с помощью механического трения тканью или электрического поля для смещения стержней в одном направлении имеют лишь ограниченный успех. Это связано с тем, что для высокоэффективного излучения света необходимо, чтобы стержни находились на расстоянии не менее 10 нанометров друг от друга, чтобы они не «гасили», или подавляли, светоизлучающую активность своих соседей.

Для этого исследователи разработали способ прикрепления квантовых стержней к ромбовидным структурам ДНК-оригами, которые могут быть построены на расстоянии, необходимом для поддержания этого расстояния. Затем эти структуры ДНК прикрепляются к поверхности, где они соединяются друг с другом, как кусочки головоломки.

«Квантовые стержни располагаются на оригами в одном и том же направлении, так что теперь все эти квантовые стержни можно выстраивать путем самосборки на двумерных поверхностях, причем в микронном масштабе, что необходимо для различных применений, например для микросветодиодов», — говорит Батэ. „Вы можете ориентировать их в определенных направлениях, которые можно контролировать, и держать их хорошо разделенными, потому что оригами упакованы и естественно подходят друг к другу, как кусочки пазла“.

Сборка головоломки

В качестве первого шага в реализации этого подхода исследователи должны были придумать способ прикрепления нитей ДНК к квантовым стержням. Для этого Чен разработал процесс, который включает эмульгирование ДНК в смесь с квантовыми стержнями, а затем быстрое обезвоживание смеси, что позволяет молекулам ДНК образовать плотный слой на поверхности стержней.

Этот процесс занимает всего несколько минут, что значительно быстрее, чем любой другой существующий метод прикрепления ДНК к наноразмерным частицам, что может стать ключом к созданию коммерческих приложений.

Уникальность этого метода заключается в его практически универсальной применимости к любым влаголюбивым лигандам, имеющим сродство к поверхности наночастиц, что позволяет мгновенно переносить их на поверхность наноразмерных частиц. Используя этот метод, мы добились значительного сокращения времени производства — с нескольких дней до нескольких минут, — говорит Чен.

Затем эти нити ДНК действуют как липучка, помогая квантовым стержням прилипать к шаблону ДНК-оригами, который образует тонкую пленку, покрывающую силикатную поверхность. Эта тонкая пленка ДНК сначала формируется путем самосборки, соединяя соседние ДНК-шаблоны вместе с помощью нависающих нитей ДНК по их краям.

Теперь исследователи надеются создать поверхности в масштабе пластины с вытравленными узорами, что позволит им масштабировать свою разработку до расположения квантовых стержней в масштабе устройства для различных применений, помимо микросветодиодов или дополненной реальности/виртуальной реальности.

Метод, который мы описали в данной работе, замечателен тем, что он обеспечивает хороший пространственный и ориентационный контроль над расположением квантовых стержней. Следующим шагом будет создание более иерархических массивов с запрограммированной структурой на различных масштабах длины. Возможность управлять размерами, формой и расположением этих массивов квантовых стержней открывает путь к самым разным электронным приложениям, — говорит Макфарлейн.

ДНК особенно привлекательна в качестве производственного материала, поскольку она может быть получена биологическим путем, что является одновременно масштабируемым и устойчивым процессом, соответствующим развивающейся биоэкономике США.

В дальнейшем мы сосредоточимся на переводе этой работы на коммерческие устройства путем решения ряда остающихся проблем, включая переход на экологически безопасные квантовые стержни, — заключает Батэ.

12.08.2023