采用量子点的平板电视现已投入商用，但为商用设备制造其细长表亲量子棒的阵列却更加困难。量子棒可以控制光的偏振和颜色，为虚拟现实设备生成 3D 图像。
麻省理工学院的工程师们利用折叠 DNA 制成的支架，想出了一种精确组装量子棒阵列的新方法。通过以高度受控的方式将量子棒沉积到 DNA 支架上，研究人员可以调节它们的方向，这是确定阵列发射的光的偏振的关键因素。这使得向虚拟场景添加深度和维度变得更加容易。
“量子棒的挑战之一是：如何在纳米尺度上排列它们，使它们都指向同一个方向？” 麻省理工学院生物工程教授、这项新研究的资深作者马克·巴斯说。“当它们都指向二维表面上的同一方向时，它们在与光相互作用和控制其偏振方面都具有相同的特性。”
麻省理工学院的博士后 Chi Chen 和 Xin Luo 是该论文的主要作者，该论文发表在Science Advances上。罗伯特·麦克法兰（Robert Macfarlane），材料科学与工程副教授；亚历山大·卡普兰博士 莱斯特·沃尔夫化学教授 Moungi Bawendi 也是该研究的作者。
纳米级结构
在过去的 15 年里，Bathe 和其他人在 DNA纳米级结构（也称为 DNA 折纸）的设计和制造方面处于领先地位。DNA 是一种高度稳定且可编程的分子，是构建微小结构的理想材料，可用于多种应用，包括输送药物、充当生物传感器或形成光捕获材料的支架。
Bathe 的实验室开发了计算方法，研究人员只需输入他们想要创建的目标纳米级形状，程序就会计算出能够自组装成正确形状的 DNA 序列。他们还开发了可扩展的制造方法，将量子点融入这些基于 DNA 的材料中。
在 2022 年的一篇论文中，Bathe 和 Chen 表明，他们可以使用 DNA 通过可扩展的生物制造将量子点固定在精确的位置。在此工作的基础上，他们与麦克法兰实验室合作，解决将量子棒排列成二维阵列的挑战，这更加困难，因为棒需要沿同一方向对齐。
现有的方法使用织物机械摩擦或电场将量子棒扫向一个方向来创建排列的量子棒阵列，但仅取得了有限的成功。这是因为高效发光要求棒彼此之间的距离至少为 10 纳米，这样它们就不会“淬灭”或抑制相邻棒的发光活动。
为了实现这一目标，研究人员设计了一种将量子棒附着到菱形 DNA 折纸结构上的方法，该结构可以以适当的尺寸构建以保持该距离。然后这些 DNA 结构被附着在一个表面上，它们像拼图一样组装在一起。
“量子棒以相同的方向放置在折纸上，所以现在您已经通过2D 表面上的自组装对所有这些量子棒进行了图案化，并且您可以在 microLED 等不同应用所需的微米尺度上实现这一点，”Bathe 说。“你可以将它们定向到可控的特定方向，并使它们保持良好的分离，因为折纸是打包的并且自然地组合在一起，就像拼图一样。”
组装拼图
作为使这种方法发挥作用的第一步，研究人员必须想出一种将 DNA 链附着到量子棒上的方法。为此，陈开发了一种工艺，将 DNA 乳化成与量子棒的混合物，然后快速使混合物脱水，从而使 DNA 分子在棒的表面形成致密层。
这个过程只需要几分钟，比任何现有的将 DNA 附着到纳米级颗粒的方法都要快得多，这可能是实现商业应用的关键。
“这种方法的独特之处在于它几乎普遍适用于任何与纳米颗粒表面具有亲和力的亲水配体，使它们能够立即被推到纳米级颗粒的表面上。通过利用这种方法，我们取得了显着的成果。制造时间从几天缩短到几分钟，”陈说。
这些 DNA 链就像尼龙搭扣一样，帮助量子棒粘在 DNA 折纸模板上，形成一层覆盖硅酸盐表面的薄膜。这种 DNA 薄膜首先通过自组装形成，通过沿边缘突出的 DNA 链将相邻的 DNA 模板连接在一起。
研究人员现在希望创建带有蚀刻图案的晶圆级表面，这可以让他们将设计扩展到量子棒的设备级排列，用于多种应用，而不仅仅是 microLED 或增强现实/虚拟现实。
“我们在本文中描述的方法很棒，因为它为量子棒的定位方式提供了良好的空间和方向控制。下一步将是制造更加分层的阵列，在许多不同的长度尺度上具有编程结构。控制这些量子棒阵列的尺寸、形状和位置的能力是通向各种不同电子应用的门户，”麦克法兰说。
“DNA 作为一种制造材料特别有吸引力，因为它可以通过生物方式生产，既可扩展又可持续，符合新兴的美国生物经济。通过解决几个剩余的瓶颈，包括改用环境安全的量子棒，将这项工作转化为商业设备，是我们下一步关注的重点，”巴斯补充道。
