集成量子點(diǎn)的平板電視已經(jīng)商用。然而，制造它們的“量子棒(quantum rod)”陣列對于商業(yè)設(shè)備來說要苦難的多。量子棒可以控制光的偏振和顏色，為虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備生成3D圖像。

麻省理工學(xué)院的工程師團(tuán)隊(duì)利用折疊DNA制成的支架，提出了一種精確組裝量子棒陣列的新方法。他們通過以高度受控的方式將量子棒沉積到 DNA 支架上，從而調(diào)節(jié)方向，這是決定陣列發(fā)射光偏振的關(guān)鍵因素，使向虛擬場景添加深度和維度變得更加容易。

Mark Bathe是麻省理工學(xué)院生物工程教授，同時(shí)也是這項(xiàng)新研究的資深作者，他說:“量子棒技術(shù)的一大挑戰(zhàn)是:如何在納米級別上進(jìn)行排列，讓它們都指向同一個(gè)方向? 當(dāng)它們在 2D 表面上都指向同一方向時(shí)，它們在與光相互作用和控制其偏振方面都具有相同的特性?！?/span>

該研究成果以“Ultrafast dense DNA functionalization of quantum dots and rods for scalable 2D array fabrication with nanoscale precision”為題，被發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。麻省理工學(xué)院博士后Chi Chen和Xin Luo是這篇論文的主要作者。該論文的其他聯(lián)合作者分別是材料科學(xué)與工程副教授Robert Macfarlane、Alexander Kaplan博士和化學(xué)教授Lester Wolfe。

納米級結(jié)構(gòu)

在過去15年里，Bathe和其他人在DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造方面處于領(lǐng)先地位，該技術(shù)也被稱為DNA折紙。DNA是一種高度穩(wěn)定和可編程的分子，是用于各種應(yīng)用的微型結(jié)構(gòu)的理想材料，包括輸送藥物、充當(dāng)生物傳感器，或形成光捕獲材料的支架。

通過DNA折紙技術(shù)得到的各類結(jié)構(gòu)圖形

Bathe的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種計(jì)算方法，讓研究人員只需簡單輸入他們想要?jiǎng)?chuàng)建的納米級形狀，程序就會計(jì)算出能夠自組裝成正確形狀的 DNA 序列。他們還開發(fā)出了其他可擴(kuò)展的制造方法，將量子點(diǎn)整合到這些基于DNA的材料中。

Bathe和Chen在 2022 年的一篇論文中表明，他們可以使用 DNA 通過可擴(kuò)展的生物制造將量子點(diǎn)固定在精確的位置。在此工作的基礎(chǔ)上，他們與麥克法蘭實(shí)驗(yàn)室合作，共同解決將量子棒排列成二維陣列的挑戰(zhàn)，這更加困難，因?yàn)榱孔影粜枰赝环较驅(qū)R。

現(xiàn)有的方法是 利用織物的機(jī)械摩擦或電場將量子棒掃向一個(gè)方向，從而制造出排列整齊的量子棒陣列。這種方法效果比較局限，因?yàn)楦咝У陌l(fā)光要求桿狀體彼此之間保持至少10納米的距離，這樣它們就不會“淬滅”或抑制旁邊量子棒的光。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員設(shè)計(jì)了一種將量子棒附著到鉆石狀的菱形DNA結(jié)構(gòu)上的方法，用以保持理想的距離。然后將這些DNA結(jié)構(gòu)附著在一個(gè)表面上，像拼圖一樣組合在一起。

Bathe表示:“量子棒以相同的方向放置在納米級DNA結(jié)構(gòu)上，因此現(xiàn)在可以通過在 2D 表面上自組裝來對所有這些量子棒進(jìn)行圖案化，并且可以在 microLED 等不同應(yīng)用所需的微米尺度上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。你可以將它們定向到可控的特定方向，并讓它們彼此保持適當(dāng)距離，就像拼圖一樣。”

組裝拼圖

作為使這種方法發(fā)揮作用的第一步，研究人員必須想出一種將 DNA 鏈附著到量子棒上的方法。為此， Chi Chen開發(fā)了一種工藝，將DNA乳化，使之與量子棒混合，然后迅速使混合物脫水，從而使DNA分子在量子棒表面形成致密層。

這個(gè)過程只需要幾分鐘，比現(xiàn)有任何將DNA附著到納米級粒子上的方法都要快，這可能是實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

Chen表示：“這種方法的獨(dú)特之處在于它幾乎普遍適用于任何與納米顆粒表面有親和力的親水配體，能夠立即被推到納米級顆粒的表面。這種方法可以將制造時(shí)間從幾天減少到只要幾分鐘?！?/span>

這些DNA鏈就像魔術(shù)貼一樣把量子棒粘在DNA折紙模板上，形成一層薄膜，覆蓋在硅酸鹽表面上。這種DNA薄膜首先是通過自組裝形成的，通過沿著DNA模板邊緣伸出的DNA鏈將相鄰的DNA模板連接在一起。

研究人員現(xiàn)在希望創(chuàng)造具有蝕刻圖案的晶圓級表面，這有助于他們擴(kuò)展設(shè)計(jì)應(yīng)用，而不僅僅是 microLED 或VR/AR設(shè)備。

Macfarlane 表示：“我們在論文中描述的方法很棒，因?yàn)樗梢院芎玫乜刂屏孔影舻目臻g和方向定位。接下來要制作更分層的數(shù)組，帶長度不等的編程結(jié)構(gòu)?？刂七@些量子棒陣列的大小、形狀和位置的技術(shù)是通往各種不同電子應(yīng)用的門戶?！?/span>

Bathe補(bǔ)充道：“DNA是一種別具魅力的制造材料，因?yàn)樯锷a(chǎn)既可擴(kuò)展又可持續(xù)。下一步的重點(diǎn)是通過解決剩下的幾個(gè)瓶頸問題，包括轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)境來說更安全的量子棒等，從而把這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)向商業(yè)?！?/span>

本文編譯自：

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