Les flacons contenant des nanocristaux de points quantiques (NC) semi-conducteurs colloïdaux émettent des couleurs qui sont déterminées par la taille exacte des particules. Dans cette image, les courbes devant chaque flacon montrent les mesures effectuées par l'équipe du MIT :L'extérieur, la courbe plus large montre le spectre de couleurs de toutes les NC dans ce flacon, tandis que la courbe plus étroite montre le spectre moyen d'une seule particule dans ce flacon. Jusqu'à ce que cette nouvelle technique soit mise au point, il n'y avait aucun moyen de dire si la largeur du spectre dans un lot donné était causée par différentes NC dans le lot ayant des couleurs légèrement différentes, ou si les émissions de chaque particule avaient un spectre plus large. Crédit :LAUREN ALEZA KAYE
De minuscules particules de matière appelées points quantiques, qui émettent une lumière aux couleurs exceptionnellement pures et lumineuses, ont trouvé un rôle important en tant que marqueurs biologiques. En outre, ils réalisent leur potentiel dans les écrans d'ordinateur et de télévision, et ont la promesse dans l'éclairage à semi-conducteurs. De nouvelles recherches au MIT pourraient désormais rendre ces points quantiques encore plus efficaces pour fournir des couleurs de lumière réglées avec précision.
Ces matériaux, appelés nanocristaux à points quantiques semi-conducteurs colloïdaux, peut émettre n'importe quelle couleur de lumière, selon leur taille ou leur composition exacte. Mais il existe une certaine variabilité dans la diffusion des couleurs produites par différents lots de nanocristaux, et jusqu'à présent, il n'y avait aucun moyen de dire si cette variabilité provenait de particules individuelles ou de variations parmi les nanocristaux d'un lot.
C'est le casse-tête qu'une équipe du MIT a maintenant résolu, en utilisant une nouvelle méthode d'observation. Les résultats apparaissent dans le journal Chimie de la nature dans un article du professeur de chimie Moungi Bawendi, étudiant diplômé Jian Cui, et six autres.
Pour de nombreuses applications, telles que les écrans plats, il est important de fabriquer des particules qui émettent un couleur pure de la lumière. Donc, il est important de savoir si un processus donné produit des nanocristaux avec un spectre intrinsèquement étroit ou large d'émission de couleurs.
"Vous devez comprendre comment le spectre d'une seule particule se rapporte au spectre de l'ensemble, " dit Cui. Mais les méthodes d'observation existantes qui détectent un ensemble entier produisent des données qui " brouillent l'information, " et les méthodes qui tentent d'extraire des données à partir de particules uniques ont des limites.
Observer des milliards à la fois
La nouvelle méthode, développé dans le laboratoire de Bawendi, est un changement radical par rapport aux moyens conventionnels d'observation des émissions lumineuses d'émetteurs uniques. Normalement, cela se fait en isolant les émetteurs individuels, les stabiliser sur un substrat, et en les observant un à la fois.
Mais cette approche présente deux inconvénients, Bawendi explique :« Vous n'obtenez que de petits nombres, parce que vous regardez un à la fois, et il y a un biais de sélection, parce que vous regardez habituellement les plus brillants."
La nouvelle méthode, appelée spectroscopie de Fourier à corrélation de photons en solution, permet d'extraire les propriétés spectrales d'une seule particule à partir d'un grand groupe de particules. Bien qu'il ne vous indique pas la largeur du pic spectral d'une particule spécifique, il vous donne la largeur spectrale moyenne d'une particule à partir de milliards de particules, révélant si les particules individuelles produisent des couleurs pures ou non.
En outre, Bawendi explique, les particules "ne sont pas isolées sur une surface, mais [sont] dans leur milieu naturel, dans une solution." Avec les méthodes traditionnelles, « Il y a toujours une question :dans quelle mesure la surface affecte-t-elle les résultats ?
La méthode fonctionne en comparant des paires de photons émis par des particules individuelles. Cela ne vous dit pas la couleur absolue d'une particule particulière, mais il donne une mesure statistique représentative de l'ensemble de la collection de particules. Pour ce faire, il éclaire la solution échantillon avec un faisceau laser et détecte la lumière émise à des échelles de temps extrêmement courtes. Ainsi, alors que différentes particules ne sont pas différenciées dans l'espace, ils peuvent être différenciés dans le temps, lorsqu'ils dérivent dans et hors du faisceau laser étroit et sont activés par le faisceau.
"Nous obtenons la largeur de ligne moyenne d'une particule dans la solution, sans biais de sélection, " dit Cui. En appliquant cette méthode à la production de nanocristaux de points quantiques, l'équipe du MIT peut déterminer dans quelle mesure différentes méthodes de synthèse des particules fonctionnent.
Affiner le processus
"C'était une question ouverte de savoir si les largeurs de ligne à point unique étaient variables ou non, " dit Cui. Maintenant, lui et ses collègues peuvent le déterminer pour chaque variation du processus de fabrication, et commencez à affiner le processus pour produire le résultat le plus utile pour différentes applications.
En plus des écrans d'ordinateur, de telles particules ont des applications dans la recherche biomédicale, où ils sont utilisés comme agents de coloration pour différents produits biochimiques. Plus les couleurs des particules sont précises, plus le nombre de particules de couleurs différentes pouvant être utilisées à la fois dans un échantillon est important, chacun ciblant un type différent de biomolécule.
En utilisant cette méthode, les chercheurs ont pu montrer qu'un matériau largement utilisé pour les points quantiques, séléniure de cadmium, produit en effet des couleurs très pures. Mais, ils ont découvert que d'autres matériaux pouvaient remplacer le séléniure de cadmium ou produire des couleurs différentes, comme le phosphure d'indium, peut aussi avoir des couleurs intrinsèquement très pures. Précédemment, c'était une question ouverte.
Todd Krauss, un professeur de chimie à l'Université de Rochester qui n'était pas impliqué dans cette recherche, dit que "l'approche de l'équipe du MIT est très intelligente et s'appuie sur ce que ce groupe a fait précédemment". Il est important de mesurer les largeurs de ligne des particules individuelles, il dit, dans l'optimisation d'applications telles que les écrans de télévision et les marqueurs biologiques. Il ajoute, "Nous devrions pouvoir faire de bien meilleurs progrès maintenant que cette technique est publiée, en raison de la possibilité d'obtenir des largeurs de ligne de particule unique sur de nombreuses particules à la fois."
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.
