量子棒陣列可以增強電視或虛擬實境設備
麻省理工學院的工程師開發了一種創建這些陣列的新方法，通過將量子棒支架到圖案化的DNA上
來源: MIT NEWS
包含量子點的平板電視現已商業化，但為商業設備創建其細長的表親量子棒陣列變得更加困難。量子棒可以控制光的偏振和顏色，為虛擬實境設備生成3D圖像。
使用由摺疊DNA製成的支架，麻省理工學院的工程師提出了一種精確組裝量子棒陣列的新方法。通過以高度受控的方式將量子棒沉積到DNA支架上，研究人員可以調節它們的方向，這是確保陣列發出的光偏振的關鍵因素。這樣可以更輕鬆地為虛擬場景添加深度和維度。
“量子棒的挑戰之一是：你如何在納米尺度上將它們全部對齊，使它們都指向同一個方向？”麻省理工學院生物工程教授、這項新研究的資深作者Mark Bathe說。“當它們在2D表面上都指向同一方向時，它們都具有與光相互作用和控制其偏振的相同屬性。
麻省理工學院博士後Chi Chen和Xin Luo是該論文的主要作者，該論文今天發表在Science Advances上。材料科學與工程副教授羅伯特·麥克法蘭;亞歷山大·卡普蘭博士’23;萊斯特·沃爾夫化學教授Moungi Bawendi也是該研究的作者。
納米級結構
在過去的15年裡，Bathe和其他人領導了由DNA製成的納米級結構的設計和製造，也稱為DNA折紙。DNA是一種高度穩定和可程式設計的分子，是微小結構的理想建築材料，可用於各種應用，包括輸送藥物，充當生物感測器或形成光捕獲材料的支架。
Bathe的實驗室已經開發出計算方法，允許研究人員簡單地輸入他們想要創建的目標納米級形狀，該程式將計算將自組裝成正確形狀的DNA序列。他們還開發了可擴展的製造方法，將量子點整合到這些基於DNA的材料中。
在 2022 年的一篇論文中，Bathe 和 Chen 表明，他們可以使用 DNA 通過可擴展的生物製造將量子點支架固定在精確位置。在這項工作的基礎上，他們與Macfarlane的實驗室合作，解決了將量子棒排列成2D陣列的挑戰，這更加困難，因為棒需要在同一方向上對齊。
使用織物或電場的機械摩擦將棒掃向一個方向來創建排列的量子棒陣列的現有方法僅取得了有限的成功。這是因為高效發光要求棒彼此保持至少10納米的距離，這樣它們就不會“淬滅”或抑制鄰居的發光活動。
為了實現這一目標，研究人員設計了一種將量子棒連接到菱形DNA折紙結構的方法，該結構可以以合適的尺寸建造以保持該距離。然後將這些DNA結構附著在表面上，在那裡它們像拼圖一樣組合在一起。
“量子棒位於摺紙上，方向相同，所以現在你已經通過在2D表面上的自組裝來塑造所有這些量子棒，你可以在microLED等不同應用所需的微米尺度上做到這一點，”Bathe說。“你可以將它們定向到可控的特定方向，並將它們分開，因為摺紙是擠在一起的，自然地組合在一起，就像拼圖一樣。
組裝拼圖
作為使這種方法起作用的第一步，研究人員必須想出一種方法將DNA鏈連接到量子棒上。為此，Chen開發了一種工藝，包括將DNA乳化成與量子棒的混合物，然後快速使混合物脫水，從而使DNA分子在棒表面上形成緻密層。
這個過程只需要幾分鐘，比任何現有的將DNA附著到納米級顆粒上的方法都要快得多，這可能是實現商業應用的關鍵。
“這種方法的獨特之處在於它幾乎普遍適用於任何與納米顆粒表面具有親和力的親水配體，使它們能夠立即被推到納米級顆粒的表面上。通過利用這種方法，我們將製造時間從幾天顯著縮短到幾分鐘，“陳說。
然後，這些DNA鏈像魔術貼一樣起作用，説明量子棒粘附在DNA折紙範本上，該範本形成一層薄膜，覆蓋矽酸鹽表面。這種DNA薄膜首先通過自組裝形成，方法是通過沿其邊緣的懸垂DNA鏈將相鄰的DNA範本連接在一起。
研究人員現在希望創建具有蝕刻圖案的晶圓級表面，這可以使他們能夠將設計擴展到量子棒的設備級排列，用於多種應用，而不僅僅是 microLED 或增強現實/虛擬實境。
“我們在本文中描述的方法很棒，因為它為量子棒的定位方式提供了良好的空間和方向控制。接下來的步驟將是製作更具層次的數位，具有許多不同長度尺度的程式設計結構。控制這些量子棒陣列的尺寸、形狀和位置的能力是通往各種不同電子應用的門戶，“麥克法蘭說。
“DNA作為一種製造材料特別有吸引力，因為它可以生物的方式長出來，既可擴展又可持續，符合新興的美國生物經濟。解決關鍵的瓶頸，包括轉向環境安全的量子棒，將這項工作轉化為商業設備是我們接下來關注的，“Bathe補充道。
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