Wgląd w czasie rzeczywistym we wzrost nanocząstek

Naukowcy monitorowali średnicę półprzewodnikowych kropek kwantowych w czasie rzeczywistym, obserwując długość fali emitowanego światła.

Luminescencja to wynik procesu, w którym obiekt pochłania światło o jednej długości fali i emituje je ponownie o innej długości fali. Podczas tego procesu elektrony w stanie podstawowym materiału absorbują światło i zostają wzbudzone do wyższego stanu energetycznego. Po określonym czasie, charakterystycznym dla każdego stanu wzbudzonego, elektrony powracają do niższych stanów energetycznych, w tym do stanu podstawowego, i emitują światło. Zjawisko to wykorzystywane jest w szerokim zakresie zastosowań technologicznych, obejmujących wysoce wydajne i powtarzalne urządzenia emitujące, które można łatwo zminiaturyzować.

Do materiałów o najwyższej efektywności luminescencji zaliczają się kropki kwantowe (QD), stosowane obecnie w wyświetlaczach o wysokiej rozdzielczości, diodach LED, panelach słonecznych i różnego rodzaju czujnikach, m.in. stosowanych w precyzyjnym obrazowaniu medycznym. Funkcjonalizacja powierzchni QD różnymi typami cząsteczek umożliwia interakcję ze strukturami komórkowymi lub innymi cząsteczkami będącymi przedmiotem zainteresowania w celu badania procesów biologicznych na poziomie molekularnym.

Kwantowe zamknięcie w kropkach kwantowych

QD to nanocząstki półprzewodnikowe, których właściwości emisyjne są bezpośrednio powiązane z rozmiarem kropki ze względu na zjawisko uwięzienia kwantowego. Z tego powodu monitorowanie i kontrola wzrostu kryształów podczas syntezy QD w roztworze umożliwia inteligentne planowanie pożądanej luminescencji. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Raporty naukowebadacze pod kierunkiem Andrei de Camargo, profesora w Instytucie Fizyki São Carlos na Uniwersytecie w São Paulo (IFSC-USP) w Brazylii oraz współpracownicy z Uniwersytetu w Kilonii w Niemczech prezentują nowatorskie podejście do monitorowania powstawania QD.

„Użyliśmy tellurku kadmu [CdTe] jako system modelowy i kontrolowany wzrost nanocząstek w ogrzanym roztworze wodnym poprzez analizę luminescencji in situ” – mówi Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, doktorant w IFSC-USP i pierwszy autor artykułu.

Technika ta umożliwia naukowcom obserwowanie w czasie rzeczywistym, co dzieje się w roztworze, bez wpływu na syntezę QD, dzięki czemu mogą monitorować wzrost kryształów, obserwując kolor (długość fali) emitowanego światła. „QD syntetyzuje się przez zmieszanie kadmu (Cd²⁺) i tellur (Te^2-) roztwory prekursorów w obecności odczynnika kontroli wielkości. Podnosi się temperaturę i rozpoczyna się reakcja chemiczna poprzez skupienie jonów tellurku i kadmu. W miarę postępu reakcji dodatkowe jednostki CdTe łączą się sferycznie w klastrze w procesie znanym jako samoorganizacja. Wielkość nanocząstek można oszacować dzięki szybkiemu i precyzyjnemu monitorowaniu częstotliwości emisji. QD CdTe o średnicy 1-2 nanometrów [nm] emitują w niebieskim i zielonym obszarze widma widzialnego. Większe QD, mierzące 4-5 nm, emitują z niższymi częstotliwościami, odpowiednio żółtymi i czerwonymi” – mówi Leonnam Gotardo Merizio, doktorant w IFSC-USP i drugi autor artykułu.

Zalety techniki in situ

Według Costy nowa metoda ma kilka zalet w porównaniu z konwencjonalną strategią syntezy. „W konwencjonalnej technice trzeba pobrać małe próbki roztworu, aby zmierzyć wielkość QD, ale technika in situ pozwala to zrobić w trakcie procesu, bez konieczności ingerencji w środowisko reakcyjne w celu pobrania próbek, dzięki czemu można uzyskać więcej widm można uzyskać w jednostce czasu, nie ma to wpływu na objętość reakcji i unika się niepotrzebnych odpadów. Dzięki temu kolor emisji interesujących QD może być kontrolowany znacznie precyzyjniej. Sprzęt dostarczający światło wzbudzające za pomocą światłowodu o odpowiedniej długości fali zbiera również emitowane światło i określa jego charakterystyczną częstotliwość w RGB [red, green, and blue] system kolorów. Warto zauważyć, że sterowanie systemem RGB ma znaczenie dla tworzenia obrazu w kilku urządzeniach luminescencyjnych, takich jak monitory i wyświetlacze smartfonów” – wyjaśnia.

Dodał, że tak zsyntetyzowane QD scharakteryzowano także za pomocą dyfrakcji promieni rentgenowskich, transmisyjnej mikroskopii elektronowej, spektroskopii absorpcyjnej w świetle ultrafioletowym i spektroskopii drgań w podczerwieni.

Istnienie QD zostało teoretycznie przepowiedziane w 1937 roku przez Herberta Fröhlicha (1905-91), brytyjskiego fizyka urodzonego w Niemczech. W latach 80. Aleksiej Ekimow (ur. 1945) na terenie ówczesnego Związku Radzieckiego i Louis Brus (ur. 1943) w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy niezależnie zaobserwowali uwięzienie kwantowe w nanocząsteczkach półprzewodnikowych. W latach 90. francusko-amerykański fizyk Moungi Bawendi (ur. 1961) opracował znacznie ulepszone metody syntezy QD. W 2023 roku Ekimov, Brus i Bawendi otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za pracę w tej dziedzinie.

„Uwięzienie kwantowe daje QD zdolność do zamykania elektronów w trzech wymiarach, dzięki czemu zjawiska kwantowe są bardziej widoczne i charakteryzują się jako materiały pośrednie między atomami, cząsteczkami i większymi układami krystalicznymi” – mówi Costa.

„Opublikowano wiele prac na temat syntezy QD wykonanych z CdTe. Główny wkład naszego badania dotyczy opracowania i zastosowania wysoce wszechstronnego systemu pomiaru luminescencji in situ. Metodologia umożliwiła nam wywnioskowanie wielkości krystalicznych nanocząstek i scharakteryzowanie tworzenia się związków pośrednich w reakcjach chemicznych poprzez połączenie in situ z innymi technikami, które umożliwiają analizę chemiczną i/lub strukturalną [FT-IR, Raman, DRX, etc]. Ta ewolucja syntezy optymalizuje wydajność chemiczną i oszczędza energię” – mówi Camargo.

Odniesienie: „Monitorowanie w czasie rzeczywistym wzrostu kropek kwantowych CdTe w roztworze wodnym” autorstwa PFGM da Costa, LG Merízio, N. Wolff, H. Terraschke i ASS de Camargo, 3 kwietnia 2024 r., Raporty naukowe.
DOI: 10.1038/s41598-024-57810-8

Badanie zostało sfinansowane przez Fundację Badawczą w São Paulo.