Serie di barre quantistiche potrebbero potenziare televisori o dispositivi di realtà virtuale

Aug 04, 2023

I televisori a schermo piatto che incorporano punti quantici sono ora disponibili in commercio, ma è stato più difficile creare array dei loro cugini allungati, i bastoncini quantici, per dispositivi commerciali. I bastoncini quantistici possono controllare sia la polarizzazione che il colore della luce, per generare immagini 3D per dispositivi di realtà virtuale.

Utilizzando impalcature fatte di DNA ripiegato, gli ingegneri del MIT hanno escogitato un nuovo modo per assemblare con precisione schiere di barre quantistiche. Depositando barre quantistiche su un'impalcatura di DNA in modo altamente controllato, i ricercatori possono regolare il loro orientamento, che è un fattore chiave nel determinare la polarizzazione della luce emessa dalla matrice. Ciò rende più semplice aggiungere profondità e dimensionalità a una scena virtuale.

"Una delle sfide con le barre quantistiche è: come allinearle tutte su scala nanometrica in modo che puntino tutte nella stessa direzione?" afferma Mark Bathe, professore di ingegneria biologica del MIT e autore senior del nuovo studio. "Quando puntano tutti nella stessa direzione su una superficie 2D, hanno tutti le stesse proprietà di come interagiscono con la luce e ne controllano la polarizzazione."

Chi Chen e Xin Luo, postdoc del MIT, sono gli autori principali dell’articolo, pubblicato oggi su Science Advances. Robert Macfarlane, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali; Dottorato di ricerca Alexander Kaplan '23; e Moungi Bawendi, professore di chimica Lester Wolfe, sono anche autori dello studio.

Negli ultimi 15 anni, Bathe e altri hanno guidato la progettazione e la fabbricazione di strutture su scala nanometrica fatte di DNA, note anche come origami di DNA. Il DNA, una molecola altamente stabile e programmabile, è un materiale da costruzione ideale per minuscole strutture che potrebbero essere utilizzate per una varietà di applicazioni, tra cui la somministrazione di farmaci, la funzione di biosensori o la formazione di impalcature per materiali che raccolgono la luce.

Il laboratorio di Bathe ha sviluppato metodi computazionali che consentono ai ricercatori di inserire semplicemente una forma su scala nanometrica target che desiderano creare e il programma calcolerà le sequenze di DNA che si auto-assemblano nella forma giusta. Hanno inoltre sviluppato metodi di fabbricazione scalabili che incorporano punti quantici in questi materiali basati sul DNA.

In un articolo del 2022, Bathe e Chen hanno dimostrato di poter utilizzare il DNA per impalcare punti quantici in posizioni precise utilizzando la fabbricazione biologica scalabile. Basandosi su quel lavoro, hanno collaborato con il laboratorio di Macfarlane per affrontare la sfida di organizzare le barre quantistiche in array 2D, che è più difficile perché le barre devono essere allineate nella stessa direzione.

Gli approcci esistenti che creano schiere allineate di barre quantistiche utilizzando lo sfregamento meccanico con un tessuto o un campo elettrico per spostare le barre in una direzione hanno avuto solo un successo limitato. Questo perché l'emissione di luce ad alta efficienza richiede che i bastoncini siano mantenuti ad almeno 10 nanometri l'uno dall'altro, in modo che non “spegnino” o sopprimano l'attività di emissione luminosa dei vicini.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno ideato un modo per attaccare le aste quantistiche a strutture di origami di DNA a forma di diamante, che possono essere costruite alla giusta dimensione per mantenere quella distanza. Queste strutture di DNA vengono poi attaccate ad una superficie, dove si incastrano come i pezzi di un puzzle.

"Le aste quantistiche si trovano sull'origami nella stessa direzione, quindi ora hai modellato tutte queste aste quantistiche attraverso l'autoassemblaggio su superfici 2D, e puoi farlo sulla scala micron necessaria per diverse applicazioni come i microLED", afferma Bathe. "Puoi orientarli in direzioni specifiche che sono controllabili e tenerli ben separati perché gli origami sono imballati e si incastrano naturalmente, come farebbero i pezzi di un puzzle."

Come primo passo per far funzionare questo approccio, i ricercatori hanno dovuto trovare un modo per collegare i filamenti di DNA alle barre quantistiche. Per fare ciò, Chen ha sviluppato un processo che prevede l’emulsione del DNA in una miscela con le bacchette quantistiche, quindi la rapida disidratazione della miscela, che consente alle molecole di DNA di formare uno strato denso sulla superficie delle bacchette.