Исследователи разработали новую технологию создания светящихся "гигантских" квантовых точек. Это вещество представляет собой фотонный нанокристалл, который можно успешно синтезировать и использовать в медицинской визуализации или оптике.

Quantum Dots. Love Employee/iStock

 Что такое квантовая точка?

Квантовые точки — это коллоидные полупроводниковые нанокристаллы размером с близким к длине волны электрона. Они синтезируются (выращиваются) в растворе, а когда на них направляется источник света, они флуоресцируют и продолжают излучать свет в течение длительного времени.  Гигантские квантовые точки испускают свет в течение длительного времени.

Достигнут новый рубеж

Исследователи из Чикагского университета достигли нового этапа в развитии квантовых точек. Они синтезировали "гигантские" квантовые точки, которые после перехода во флуоресцентное состояние способны излучать свет в течение 500 наносекунд, таким образом побив старый рекорд для подобных материалов.

В группу экспертов вошли исследователи из Принстонского университета и Университета штата Пенсильвания, а также сотрудники ведущей научной лаборатории Чикагского университета.

Ученым удалось обнаружить новое свойство.

Команда продемонстрировала новое свойство и новую концепцию структур, которая способна пространственно локализовать электроны. Такая форма вещества позволяет электронам ориентироваться на дырки в пределах гетероструктуры с ядром или оболочкой. Это осуществляется путем настройки заряда электрона с учетом параболического отношения кинетической энергии к потенциальной.

О чем рассказали ученые 

Престон Сни, доцент кафедры химии Калифорнийского университета и старший научный сотрудник, сообщил, что такое разделение носителей заряда (электронов) приводит к появлению новых иррадиационных свойств, сохраняющихся в течение всего времени жизни наночастицы.

"Подобные свойства открывают широкие возможности применения в оптике, упрощают внедрение инновационных методик, включая формирование одночастичных визуализаций с контролем времени, и создают предпосылки для разработки других новых передовых материалов", - отметил ученый в своем заявлении. 

Возбуждения в квантовых точках.

Исследователям удалось перевести квантовую точку в возбужденное состояние, направив на нее пучок света. В результате возник экситон. В экситонном состоянии образуется пара электрон-дырка. В гигантских квантовых точках электрон смещается относительно ядра на некоторое расстояние. В таком состоянии он оказывается в ловушке и излучает свет в течение более 500 наносекунд, что является рекордом для этого процесса. 

Разработчики планируют использовать такие наночастицы для визуализации биологических процессов. Рассматривается даже концепция применение таких излучающих полупроводниковых наноматериалов, в качестве источников света в микролазерах.

Как новое свойство поможет в изучении биологии

"Технология квантовых точек позволяет создавать более энергоэффективные дисплеи и может быть использована в качестве флуоресцентных зондов для биомедицинских исследований благодаря их надежным оптическим свойствам", - пишут исследователи в своей работе. "Они в 10-100 раз более эффективны, чем органические красители, и почти не подвержены фотообесцвечиванию, именно поэтому они используются в новых QLED-телевизорах Samsung".

Будущее за квантовыми точками

Члены команды заявили, что гигантские квантовые точки могут стать основополагающими в биологических разработках. Они протекают в соответствии с некоторыми специфическими оптическими процессами. Например, они излучают красные волны с низким коэффициентом рассеивания и обладают низким уровнем шума.

Авторы считают, что благодаря уникальным свойствам гигантских квантовых точек исследования необходимо продолжать. Например, используя новую технологию, ученые, изучающие онкологические заболевания, могут помечать релевантные белки. Впоследствии эти белки можно будет отслеживать в течение жизни клетки без потери биологической динамики. Сегодня это типичная проблема в изучении флюоресценции.

Аннотация к исследованию

Материалы для изучения биологических взаимодействий и для применения в альтернативной энергетике постоянно находятся в стадии разработки. Полупроводниковые квантовые точки занимают важное место в этом многообразии благодаря своим перестраиваемым оптоэлектронным свойствам. Зависимые от размера квантовые эффекты конфайнмента были использованы для создания материалов с перестраиваемыми диапазонами и скоростями оже-рекомбинации. В настоящее время исследуются другие механизмы электронного контроля структуры, поскольку не все характеристики материала зависят от квантового ограничения. Новая концепция структуры-свойства, открывает возможность пространственной локализации электронов или дырок в гетероструктуре ядро/оболочка путем настройки кинетической энергии носителей заряда относительно потенциальной энергии. Подобное разделение источников приводит к увеличению времени жизни излучения и непрерывной эмиссии на уровне отдельных наночастиц. Данная технология поможет найти новые способы практического применения, например, получение изображений с привязкой ко времени с помощью отдельных частиц, а также создаст предпосылки для разработки других новых перспективных материалов.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nano Letters.

Источники и ссылки: Journal Interesting Engineering, Journal Nano Letters.
1. (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03563)
2. (https://interestingengineering.com/science/researchers-longer-lifespans-light-emitting-quantum-dots)