Des réseaux de barres quantiques pourraient améliorer les téléviseurs ou les appareils de réalité virtuelle, selon la recherche

Les téléviseurs à écran plat qui intègrent des points quantiques sont maintenant 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 tiges 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.

À l’aide d’échafaudages en ADN plié, les ingénieurs du MIT ont trouvé 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, qui est un 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 avec les bâtonnets quantiques est : comment les aligner tous à l’échelle nanométrique pour qu’ils pointent tous dans la même direction ? » dit 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 d’interaction avec la lumière et contrôlent sa polarisation. »

Les post-doctorants du MIT Chi Chen et Xin Luo sont les principaux auteurs de l’article, paru dans Avancées scientifiques. Robert Macfarlane, professeur agrégé de science et génie des matériaux; Alexandre Kaplan Ph.D. et Moungi Bawendi, professeur de chimie Lester Wolfe, sont également les auteurs de l’étude.

Structures à l’échelle nanométrique

Au cours des 15 dernières années, Bathe et d’autres ont dirigé la conception et la fabrication de structures à l’échelle nanométrique en ADN, également connues sous le nom d’origami d’ADN. L’ADN, une molécule hautement stable et programmable, est un matériau de construction idéal pour de minuscules structures qui pourraient être utilisées pour une variété d’applications, y compris l’administration de médicaments, agissant comme biocapteurs ou formant des échafaudages pour les matériaux de collecte de lumière.

Le laboratoire de Bathe a développé des méthodes de calcul qui permettent aux chercheurs d’entrer simplement une forme cible à l’échelle nanométrique qu’ils souhaitent créer, et le programme calculera les séquences d’ADN qui s’auto-assembleront dans 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 papier 2022, Bathe et Chen ont montré qu’ils pouvaient utiliser l’ADN pour échafauder des points quantiques dans des positions précises en utilisant une fabrication biologique évolutive. S’appuyant sur ce travail, ils se sont associés au laboratoire de Macfarlane pour relever le défi consistant à organiser des barres quantiques en réseaux 2D, ce qui est plus difficile car les barres doivent être alignées 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, l’émission de lumière à haut rendement nécessite que les tiges soient maintenues à au moins 10 nanomètres l’une de l’autre, de sorte qu’elles n’étouffent pas ou ne suppriment pas l’activité émettrice de lumière de leurs voisins.

Pour y parvenir, les chercheurs ont mis au point un moyen de fixer des tiges quantiques à des structures d’origami d’ADN en forme de losange, 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 tiges quantiques reposent sur l’origami dans la même direction, vous avez donc maintenant modélisé toutes ces tiges quantiques par auto-assemblage sur des surfaces 2D, et vous pouvez le faire à l’échelle du micron nécessaire pour différentes applications comme les microLED », déclare Bathe. « Vous pouvez les orienter dans des directions spécifiques qui sont contrôlables et les garder bien séparés car les origamis sont emballés et s’emboîtent naturellement, comme le feraient des pièces de puzzle. »

Assemblage du casse-tête

Comme première étape 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 dans 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, beaucoup plus rapidement que n’importe quelle méthode existante pour attacher l’ADN aux particules nanométriques, ce qui peut être essentiel pour permettre des applications commerciales.

« L’aspect unique de cette méthode réside dans son applicabilité quasi universelle à tout ligand épris d’eau ayant une affinité avec la surface des nanoparticules, leur permettant d’être instantanément poussés sur la surface des particules à l’échelle nanométrique. En exploitant cette méthode, nous avons réalisé un important 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 coller à un modèle d’origami d’ADN, qui forme un film mince qui recouvre une surface de silicate. Ce film mince 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 plaquette avec des motifs gravés, ce qui pourrait leur permettre d’adapter leur conception à des arrangements à l’échelle d’un appareil de tiges quantiques pour de nombreuses applications, au-delà des microLED ou de la réalité augmentée/réalité virtuelle.

« La méthode que nous décrivons dans cet article est excellente car elle offre un bon contrôle spatial et orientationnel de la façon dont les barres quantiques sont positionnées. Les prochaines étapes vont consister 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 barres 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 américaine émergente. Traduire ce travail vers des dispositifs commerciaux en résolvant plusieurs goulots d’étranglement restants, y compris le passage à des tiges quantiques respectueuses de l’environnement , est ce sur quoi nous nous concentrons ensuite », ajoute Bathe.