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As TVs de tela plana que incorporam pontos quânticos agora estão disponíveis comercialmente, mas tem sido mais difícil criar matrizes de seus primos alongados, hastes quânticas, para dispositivos comerciais. As hastes quânticas podem controlar a polarização e a cor da luz, para gerar imagens 3D para dispositivos de realidade virtual.
Usando andaimes feitos de DNA dobrado, os engenheiros do MIT criaram uma nova maneira de montar com precisão matrizes de hastes quânticas. Ao depositar hastes quânticas em um andaime de DNA de maneira altamente controlada, os pesquisadores podem regular sua orientação, que é um fator chave na determinação da polarização da luz emitida pela matriz. Isso torna mais fácil adicionar profundidade e dimensionalidade a uma cena virtual.
“Um dos desafios com os 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 estão apontando na mesma direção em uma superfície 2D, todos têm as mesmas propriedades de como interagem com a luz e controlam sua polarização”.
Os pós-docs do MIT Chi Chen e Xin Luo são os principais autores do artigo, que aparece hoje na Avanços da ciência. Robert Macfarlane, professor associado de ciência e engenharia de materiais; Alexander Kaplan PhD ’23; e Moungi Bawendi, o Lester Wolfe Professor de Química, também são autores do estudo.
Estruturas em nanoescala
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 a entrega de medicamentos, atuando como biossensores ou formando andaimes para materiais de coleta de luz.
O laboratório de Bathe desenvolveu métodos computacionais que permitem aos pesquisadores simplesmente inserir uma forma em nanoescala alvo que desejam criar, e o programa calculará as sequências de DNA que se auto-montarão na forma correta. Eles também desenvolveram métodos de fabricação escaláveis que incorporam pontos quânticos nesses materiais baseados em DNA.
Em um artigo de 2022, Bathe e Chen mostraram que poderiam usar o DNA para estruturar pontos quânticos em posições precisas usando fabricação biológica escalável. Com base nesse trabalho, eles se uniram ao laboratório de Macfarlane para enfrentar o desafio de organizar hastes quânticas em matrizes 2D, o que é mais difícil porque as hastes precisam estar alinhadas 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 apenas sucesso 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 “apaguem” ou suprimam a atividade de emissão de luz de seus vizinhos.
Para conseguir isso, os pesquisadores criaram uma maneira de anexar hastes quânticas 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 ligadas 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 mícrons necessária para diferentes aplicações, como microLEDs”, diz Bathe. “Você pode orientá-los em direções específicas que são controláveis e mantê-los bem separados porque os origamis são embalados e se encaixam naturalmente, como fariam as peças do quebra-cabeça.”
Montando o quebra-cabeça
Como primeiro passo para fazer essa abordagem funcionar, os pesquisadores tiveram que encontrar uma maneira de conectar os filamentos de DNA às hastes quânticas. Para fazer isso, Chen desenvolveu um processo que envolve a emulsificação do DNA em uma mistura com os bastões quânticos, desidratando rapidamente a mistura, o que permite que as moléculas de DNA formem uma camada densa na superfície dos bastões.
Esse processo leva apenas alguns minutos, muito mais rápido do que qualquer método existente para anexar DNA a partículas em nanoescala, o que pode ser a chave para permitir aplicações comerciais.
“O aspecto único desse método reside em sua aplicabilidade quase universal a qualquer ligante amante da água com afinidade com a superfície da nanopartícula, permitindo que eles sejam instantaneamente empurrados para a superfície das partículas em nanoescala. Ao aproveitar esse método, alcançamos uma significativa redução no tempo de fabricação de vários dias para apenas alguns minutos”, diz Chen.
Essas fitas de DNA agem como velcro, ajudando as hastes quânticas a aderirem a um modelo de origami de DNA, que forma uma película fina que cobre uma superfície de silicato. Esse filme fino de DNA é formado primeiro por meio de automontagem, unindo modelos de DNA vizinhos por meio de filamentos de DNA salientes ao longo de suas bordas.
Os pesquisadores agora esperam criar superfícies em escala de wafer com padrões gravados, o que pode permitir que eles dimensionem seu design para arranjos em escala de dispositivo de hastes quânticas para inúmeras aplicações, além de apenas microLEDs ou realidade aumentada/realidade virtual.
“O método que descrevemos neste artigo é ótimo porque fornece um bom controle espacial e de orientação de como as hastes quânticas são posicionadas. As próximas etapas serão fazer matrizes mais hierárquicas, com estrutura programada em muitas escalas de comprimento diferentes. A capacidade de controlar os tamanhos, formas e posicionamento dessas matrizes de hastes quânticas é uma porta de entrada para todos os tipos de aplicações eletrônicas diferentes”, diz Macfarlane.
“O DNA é particularmente atraente como material de fabricação porque pode ser produzido biologicamente, o que é escalável e sustentável, de acordo com a bioeconomia emergente dos EUA. Traduzir este trabalho para dispositivos comerciais resolvendo vários gargalos remanescentes, incluindo a mudança para hastes quânticas ambientalmente seguras , é no que estamos focados a seguir”, acrescenta Bathe.
A pesquisa foi financiada pelo Office of Naval Research, National Science Foundation, Army Research Office, Departamento de Energia e National Institute of Environmental Health Sciences.
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