Matrizes de bastões quânticos podem melhorar TVs ou dispositivos de realidade virtual

Aug 04, 2023

TVs de tela plana que incorporam pontos quânticos estão agora disponíveis comercialmente, mas tem sido mais difícil criar conjuntos de seus primos alongados, os bastões quânticos, para dispositivos comerciais. Os bastões quânticos podem controlar a polarização e a cor da luz, para gerar imagens 3D para dispositivos de realidade virtual.

Usando estruturas feitas de DNA dobrado, os engenheiros do MIT criaram uma nova maneira de montar com precisão matrizes de bastões quânticos. Ao depositar bastões quânticos em uma estrutura de DNA de forma altamente controlada, os pesquisadores podem regular sua orientação, que é um fator chave na determinação da polarização da luz emitida pelo conjunto. Isso torna mais fácil adicionar profundidade e dimensionalidade a uma cena virtual.

“Um dos desafios dos bastões quânticos é: como alinhá-los todos em nanoescala para que todos apontem na mesma direção?” diz Mark Bathe, professor de engenharia biológica do MIT e autor sênior do novo estudo. “Quando todos apontam na mesma direção em uma superfície 2D, todos têm as mesmas propriedades de como interagem com a luz e controlam sua polarização.”

Os pós-doutorados do MIT, Chi Chen e Xin Luo, são os principais autores do artigo, que aparece hoje na Science Advances. Robert Macfarlane, professor associado de ciência e engenharia de materiais; Alexander Kaplan PhD '23; e Moungi Bawendi, Professor de Química Lester Wolfe, também são autores do estudo.

Nos últimos 15 anos, Bathe e outros lideraram o projeto e a fabricação de estruturas em nanoescala feitas de DNA, também conhecidas como origami de DNA. O DNA, uma molécula altamente estável e programável, é um material de construção ideal para estruturas minúsculas que podem ser usadas para uma variedade de aplicações, incluindo entrega de medicamentos, atuação como biossensores ou formação de estruturas para materiais de coleta de luz.

O laboratório de Bathe desenvolveu métodos computacionais que permitem aos pesquisadores simplesmente inserir uma forma alvo em nanoescala que desejam criar, e o programa calculará as sequências de DNA que se automontarão na forma correta. Eles também desenvolveram métodos de fabricação escalonáveis ​​que incorporam pontos quânticos nesses materiais baseados em DNA.

Em um artigo de 2022, Bathe e Chen mostraram que poderiam usar DNA para construir pontos quânticos em posições precisas usando fabricação biológica escalonável. Com base nesse trabalho, eles se uniram ao laboratório de Macfarlane para enfrentar o desafio de organizar bastões quânticos em matrizes 2D, o que é mais difícil porque os bastões precisam estar alinhados na mesma direção.

As abordagens existentes que criam matrizes alinhadas de hastes quânticas usando fricção mecânica com um tecido ou um campo elétrico para varrer as hastes em uma direção tiveram sucesso apenas limitado. Isso ocorre porque a emissão de luz de alta eficiência exige que os bastões sejam mantidos a pelo menos 10 nanômetros um do outro, para que não “extinguam” ou suprimam a atividade de emissão de luz de seus vizinhos.

Para conseguir isso, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de anexar bastões quânticos a estruturas de origami de DNA em forma de diamante, que podem ser construídas no tamanho certo para manter essa distância. Essas estruturas de DNA são então fixadas a uma superfície, onde se encaixam como peças de um quebra-cabeça.

“As hastes quânticas ficam no origami na mesma direção, então agora você padronizou todas essas hastes quânticas por meio da automontagem em superfícies 2D, e pode fazer isso na escala de mícron necessária para diferentes aplicações, como microLEDs”, diz Bathe. “Você pode orientá-los em direções específicas que sejam controláveis ​​e mantê-los bem separados porque os origamis são embalados e se encaixam naturalmente, como fariam as peças de um quebra-cabeça.”

Como primeiro passo para que esta abordagem funcionasse, os investigadores tiveram que encontrar uma forma de anexar cadeias de ADN aos bastões quânticos. Para fazer isso, Chen desenvolveu um processo que envolve a emulsificação do DNA em uma mistura com os bastões quânticos e, em seguida, a desidratação rápida da mistura, o que permite que as moléculas de DNA formem uma camada densa na superfície dos bastões.