Les points quantiques - de minuscules particules qui émettent de la lumière dans un éventail éblouissant de couleurs éclatantes - ont le potentiel pour de nombreuses applications, mais ont fait face à une série d'obstacles à l'amélioration des performances. Mais une équipe du MIT dit qu'elle a réussi à surmonter tous ces obstacles à la fois, alors que les efforts antérieurs n'ont pu les aborder qu'un ou quelques-uns à la fois.

Points quantiques - dans ce cas, un type spécifique appelé points quantiques colloïdaux - sont de minuscules particules de matériau semi-conducteur qui sont si petites que leurs propriétés diffèrent de celles du matériau en vrac :elles sont régies en partie par les lois de la mécanique quantique qui décrivent le comportement des atomes et des particules subatomiques. Lorsqu'il est éclairé par une lumière ultraviolette, les points émettent une fluorescence vive dans une gamme de couleurs, déterminé par la taille des particules.

Découvert pour la première fois dans les années 1980, ces matériaux ont fait l'objet d'intenses recherches en raison de leur potentiel à fournir des avantages significatifs dans une grande variété d'applications optiques, mais leur utilisation réelle a été limitée par plusieurs facteurs. Maintenant, recherche publiée cette semaine dans la revue Matériaux naturels par le post-doctorant en chimie du MIT Ou Chen, Moungi Bawendi, le professeur Lester Wolfe de chimie, et plusieurs autres soulèvent la perspective que ces facteurs limitatifs peuvent tous être surmontés.

Le nouveau processus développé par l'équipe du MIT produit des points quantiques avec quatre qualités importantes :des tailles et des formes uniformes; émissions lumineuses, produire une efficacité d'émission de près de 100 pour cent; un pic d'émissions très étroit, ce qui signifie que les couleurs émises par les particules peuvent être contrôlées avec précision; et une élimination de la tendance à cligner des yeux, ce qui a limité l'utilité des applications de points quantiques antérieures.

Colorants biologiques multicolores

Par exemple, une application potentielle d'un grand intérêt pour les chercheurs est le remplacement des colorants fluorescents conventionnels utilisés dans les tests médicaux et la recherche. Les points quantiques pourraient présenter plusieurs avantages par rapport aux colorants, notamment la capacité d'étiqueter de nombreux types de cellules et de tissus dans différentes couleurs en raison de leur capacité à produire des points aussi étroits, variations de couleurs précises. Mais l'effet clignotant a entravé leur utilisation :dans les processus biologiques rapides, vous pouvez parfois perdre la trace d'une seule molécule lorsque son point quantique attaché clignote.

Les tentatives précédentes pour résoudre un problème de points quantiques avaient tendance à en aggraver les autres, dit Chen. Par exemple, afin de supprimer l'effet de clignotement, les particules ont été faites avec des coquilles épaisses, mais cela a éliminé certains des avantages de leur petite taille.

La petite taille de ces nouveaux points est importante pour les applications biologiques potentielles, explique Bawendi. "[Nos] points ont à peu près la taille d'une molécule de protéine, " dit-il. Si vous voulez marquer quelque chose dans un système biologique, il dit, la balise doit être suffisamment petite pour ne pas submerger l'échantillon ou interférer de manière significative avec son comportement.

Les points quantiques sont également considérés comme potentiellement utiles pour créer des écrans d'ordinateur et de télévision écoénergétiques. Bien que de tels écrans aient été produits avec la technologie des points quantiques existante, leurs performances pourraient être améliorées grâce à l'utilisation de points avec des couleurs contrôlées avec précision et une plus grande efficacité.

Combiner les avantages

Des recherches récentes se sont donc concentrées sur « les propriétés dont nous avons vraiment besoin pour améliorer l'application [des points] en tant qu'émetteurs de lumière, " dit Bawendi - quelles sont les propriétés que les nouveaux résultats ont démontrées avec succès. Les nouveaux points quantiques, pour la première fois, il dit, « combiner tous ces attributs que les gens jugent importants, à la fois."

Les nouvelles particules étaient constituées d'un noyau de matériau semi-conducteur (séléniure de cadmium) et de fines enveloppes d'un semi-conducteur différent (sulfure de cadmium). Ils ont démontré une efficacité d'émission très élevée (97 pour cent) ainsi que de petites, taille uniforme et pics d'émission étroits. Le clignotement a été fortement supprimé, ce qui signifie que les points restent « allumés » 94 % du temps.

Un facteur clé pour que ces particules atteignent toutes les caractéristiques souhaitées était leur croissance lente en solution, afin que leurs propriétés puissent être contrôlées plus précisément, Chen explique. "Une chose très importante est la vitesse de synthèse, " il dit, "donner suffisamment de temps pour permettre à chaque atome d'aller au bon endroit."

La croissance lente devrait permettre de passer facilement à de gros volumes de production, il dit, car il facilite l'utilisation de grands conteneurs sans perdre le contrôle sur les tailles finales des particules. Chen s'attend à ce que les premières applications utiles de cette technologie commencent à apparaître d'ici deux ans.

Taeghwan Hyeon, directeur du Centre de recherche sur les nanoparticules de l'Université nationale de Séoul en Corée, qui n'a pas participé à cette recherche, dit, "C'est très impressionnant, parce qu'en utilisant une approche apparemment très simple, c'est-à-dire maintenir un taux de croissance lent - ils ont pu contrôler avec précision l'épaisseur de la coque, leur permettant de synthétiser des points quantiques très uniformes et de petite taille. il dit, résout l'un des "défis clés" dans ce domaine, et "pourrait trouver des applications d'imagerie biomédicale, et peut également être utilisé pour l'éclairage et les écrans à semi-conducteurs."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.