Les téléviseurs à écran plat intégrant des points quantiques sont désormais disponibles dans le commerce, mais il a été plus difficile de créer des réseaux de leurs cousins allongés, les bâtonnets quantiques, pour les appareils commerciaux. Les bâtonnets quantiques peuvent contrôler à la fois la polarisation et la couleur de la lumière, afin de générer des images 3D pour les appareils de réalité virtuelle.
En utilisant des échafaudages constitués d’ADN plié, les ingénieurs du MIT ont mis au point une nouvelle façon d’assembler avec précision des réseaux de bâtonnets quantiques. En déposant des bâtonnets quantiques sur un échafaudage d’ADN de manière hautement contrôlée, les chercheurs peuvent réguler leur orientation, facteur clé pour déterminer la polarisation de la lumière émise par le réseau. Cela facilite l'ajout de profondeur et de dimensionnalité à une scène virtuelle.
"L'un des défis posés par les bâtonnets quantiques est le suivant :comment les aligner tous à l'échelle nanométrique pour qu'ils pointent tous dans la même direction ?" déclare Mark Bathe, professeur de génie biologique au MIT et auteur principal de la nouvelle étude. "Lorsqu'ils pointent tous dans la même direction sur une surface 2D, ils ont tous les mêmes propriétés dans la façon dont ils interagissent avec la lumière et contrôlent sa polarisation."
Chi Chen et Xin Luo, postdoctorants au MIT, sont les principaux auteurs de l'article, paru dans Science Advances. . Robert Macfarlane, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux ; Alexandre Kaplan Ph.D. et Moungi Bawendi, professeur de chimie Lester Wolfe, sont également les auteurs de l'étude.
Au cours des 15 dernières années, Bathe et d’autres ont dirigé la conception et la fabrication de structures nanométriques constituées d’ADN, également connues sous le nom d’origami ADN. L'ADN, une molécule hautement stable et programmable, est un matériau de construction idéal pour de minuscules structures qui pourraient être utilisées pour diverses applications, notamment pour délivrer des médicaments, agir comme biocapteurs ou former des échafaudages pour des matériaux captant la lumière.
Le laboratoire de Bathe a développé des méthodes informatiques qui permettent aux chercheurs de saisir simplement une forme cible à l'échelle nanométrique qu'ils souhaitent créer, et le programme calculera les séquences d'ADN qui s'auto-assembleront pour prendre la bonne forme. Ils ont également développé des méthodes de fabrication évolutives qui intègrent des points quantiques dans ces matériaux à base d'ADN.
Dans un article de 2022, Bathe et Chen ont montré qu’ils pouvaient utiliser l’ADN pour échafauder des points quantiques dans des positions précises grâce à une fabrication biologique évolutive. S'appuyant sur ce travail, ils se sont associés au laboratoire de Macfarlane pour relever le défi consistant à disposer les bâtonnets quantiques en réseaux 2D, ce qui est plus difficile car les bâtonnets doivent être alignés dans la même direction.
Les approches existantes qui créent des réseaux alignés de bâtonnets quantiques en utilisant un frottement mécanique avec un tissu ou un champ électrique pour balayer les bâtonnets dans une direction n’ont eu qu’un succès limité. En effet, une émission lumineuse à haute efficacité nécessite que les tiges soient maintenues à au moins 10 nanomètres les unes des autres, afin qu'elles ne « éteignent » pas ou ne suppriment pas l'activité électroluminescente de leurs voisins.
Pour y parvenir, les chercheurs ont mis au point un moyen d’attacher des bâtonnets quantiques à des structures origami d’ADN en forme de diamant, qui peuvent être construites à la bonne taille pour maintenir cette distance. Ces structures d'ADN sont ensuite attachées à une surface, où elles s'emboîtent comme des pièces de puzzle.
"Les bâtonnets quantiques reposent sur l'origami dans la même direction. Vous avez donc maintenant modélisé tous ces bâtonnets quantiques par auto-assemblage sur des surfaces 2D, et vous pouvez le faire à l'échelle micrométrique nécessaire à différentes applications telles que les microLED", explique Bathe. "Vous pouvez les orienter dans des directions spécifiques contrôlables et les garder bien séparés car les origamis sont emballés et s'emboîtent naturellement, comme le feraient les pièces d'un puzzle."
Pour que cette approche fonctionne, les chercheurs ont dû trouver un moyen d'attacher des brins d'ADN aux bâtonnets quantiques. Pour ce faire, Chen a développé un processus qui consiste à émulsionner l'ADN en un mélange avec les bâtonnets quantiques, puis à déshydrater rapidement le mélange, ce qui permet aux molécules d'ADN de former une couche dense à la surface des bâtonnets.
Ce processus ne prend que quelques minutes, soit beaucoup plus rapidement que n'importe quelle méthode existante pour attacher l'ADN à des particules nanométriques, ce qui pourrait être essentiel pour permettre des applications commerciales.
"L'aspect unique de cette méthode réside dans son applicabilité quasi universelle à tout ligand amoureux de l'eau ayant une affinité pour la surface des nanoparticules, leur permettant d'être instantanément poussés sur la surface des particules nanométriques. En exploitant cette méthode, nous avons obtenu un résultat significatif. réduction du temps de fabrication de plusieurs jours à quelques minutes seulement", explique Chen.
Ces brins d’ADN agissent alors comme du Velcro, aidant les bâtonnets quantiques à adhérer à un modèle d’ADN origami, qui forme un film mince recouvrant une surface de silicate. Ce mince film d'ADN est d'abord formé par auto-assemblage en joignant des matrices d'ADN voisines via des brins d'ADN en surplomb le long de leurs bords.
Les chercheurs espèrent maintenant créer des surfaces à l'échelle d'une tranche avec des motifs gravés, ce qui pourrait leur permettre d'adapter leur conception à des arrangements de bâtonnets quantiques à l'échelle d'un appareil pour de nombreuses applications, au-delà des seules microLED ou de la réalité augmentée/réalité virtuelle.
"La méthode que nous décrivons dans cet article est excellente car elle permet un bon contrôle spatial et orientationnel de la façon dont les bâtonnets quantiques sont positionnés. Les prochaines étapes consisteront à créer des réseaux plus hiérarchiques, avec une structure programmée à de nombreuses échelles de longueur différentes. La capacité de contrôler les tailles, les formes et le placement de ces réseaux de bâtonnets quantiques est une passerelle vers toutes sortes d'applications électroniques différentes", explique Macfarlane.
"L'ADN est particulièrement attrayant en tant que matériau de fabrication car il peut être produit biologiquement, ce qui est à la fois évolutif et durable, conformément à la bioéconomie émergente des États-Unis. Traduire ce travail vers des dispositifs commerciaux en résolvant plusieurs goulots d'étranglement restants, y compris le passage à des bâtonnets quantiques respectueux de l'environnement. , c'est ce sur quoi nous nous concentrons ensuite", ajoute Bathe.
Plus d'informations : Chi Chen et al, Fonctionnalisation ultrarapide de l'ADN dense de points et de bâtonnets quantiques pour la fabrication de matrices 2D évolutives avec une précision à l'échelle nanométrique, Progrès scientifiques (2023). DOI :10.1126/sciadv.adh8508. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8508
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
