Il quantum dot come opera e come potrebbe operare in futuro negli smartphone

In questa illustrazione, il dispositivo spettrometro di Quantum Dot (QD) sta stampando filtri QD - una fase di fabbricazione                                                                                                                              Altri approcci con strutture tipo spettrometro hanno sistemi complicati per creare le strutture ottiche necessarie. Qui nell'approccio spettrometro QD, la struttura ottica - filtri QD - sono generati stampando goccioline liquide. Quest’ approccio è unico e vantaggioso in termini di flessibilità, semplicità e riduzione dei costi. Credit: Mary O'Reilly

I ricercatori del MIT hanno progettato uno spettrometro di quantum-dot che è abbastanza piccolo da funzionare all'interno di uno smartphone, consentendo l'analisi luce col portatile.

Gli strumenti che misurano le proprietà della luce, noto come spettrometri, sono ampiamente utilizzati in fisica, chimica e ricerca biologica. Questi dispositivi sono di solito troppo grandi perché siano portatili, ma gli scienziati del MIT hanno dimostrato di poter creare spettrometri abbastanza piccoli da adattarsi all'interno di una fotocamera dello smartphone, utilizzando piccole nanoparticelle di semiconduttori cosiddetti punti quantici.

“Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati per diagnosticare le malattie, _dice Jie Bao, ex postdoc MIT- in particolare le condizioni della pelle, o per rilevare inquinanti ambientali e le condizioni alimentari che descrive questo meccanismo “.

Questo lavoro rappresenta anche una nuova applicazione per punti quantici, che sono stati utilizzati principalmente per le cellule di etichettatura e molecole biologiche, come pure negli schermi dei computer e televisivi.

"Utilizzo di punti quantici per spettrometri è un'applicazione di tale semplicità, - dice Moungi Bawendi, professore di chimica del Lester Wolfe presso il MIT e autore della ricerca- rispetto a tutto il resto che abbiamo cercato di fare, e penso che sia molto attraente".

La riduzione degli spettrometri

I primi spettrometri consistevano in prismi che separano la luce nelle sue costituenti lunghezze d'onda, mentre i modelli attuali utilizzano strumenti ottici quali reticoli di diffrazione per ottenere lo stesso effetto. Spettrometri sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, come studiare i processi atomici e livelli di energia in fisica, o analizzare campioni di tessuto per la ricerca e la diagnostica biomedica.

Sostituzione delle apparecchiature ottiche ingombranti con punti quantici, ha permesso al team del MIT a ridursi spettrometri a circa le dimensioni di un quarto degli Stati Uniti, e di approfittare di alcune delle proprietà utili intrinseche dei punti quantici.

Quantum dots, sono un tipo di nanocristalli scoperti nei primi anni 1980, sono realizzati da leghe di metalli  che conciliano piombo o cadmio con altri elementi, tra cui zolfo, selenio, o arsenico. Controllando il rapporto di questi materiali di partenza, la temperatura e il tempo di reazione, gli scienziati possono generare un numero praticamente illimitato di punti con differenze in una proprietà elettronico denominato bandgap, che determina le lunghezze d'onda della luce che ogni punto assorbirà.

“Tuttavia, la maggior parte delle applicazioni esistenti per punti quantici -dice Bawendi- non prendono vantaggio di questa vasta gamma di assorbanza della luce. Invece, la maggior parte delle applicazioni, come le cellule di etichettatura o nuovi tipi di schermi televisivi, sfruttano la fluorescenza a punti quantici '- una proprietà che è molto più difficile da controllare. E 'molto difficile fare qualcosa che reagisce molto brillantemente, -prosegue-e se hai avuto modo di proteggere i punti, hai avuto modo di fare tutta questa ingegneria".

Gli scienziati stanno anche lavorando su cellule solari basate su punti quantici, che si basano sulla capacità dei punti "di convertire la luce in elettroni. Tuttavia, questo fenomeno non è ben compreso, ed è difficile da manipolare.

D'altra parte, le proprietà di assorbimento dei punti quantici 'sono ben noti e molto stabili. "Se siamo in grado di fare affidamento su queste proprietà, - dice Bao - è possibile creare applicazioni che avranno un impatto maggiore nella produzione relativa a breve termine".

Ampio spettro

Il nuovo spettrometro a quantum dot distribuisce centinaia di materiali a punti quantici che fa corrispondere a ogni filtro uno specifico insieme di lunghezze d'onda della luce. I filtri a punti quantici sono stampati in un film sottile e posti sopra un fotorivelatore ad esempio i dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) in telecamere cellulari.

I ricercatori hanno creato un algoritmo che analizza la percentuale di fotoni assorbiti da ogni filtro, quindi ricombina le informazioni da ciascuno per calcolare l'intensità e lunghezza d'onda dei raggi di luce originali.

I materiali a punti quantici più ci sono, più lunghezze d'onda possono essere coperti e può essere ottenuti la risoluzione più alta. In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato circa 200 tipi di punti quantici sviluppati su una gamma di circa 300 nanometri. Con più punti, tali spettrometri potrebbero essere progettati per coprire una più ampia gamma di frequenze di luce.

"Bawendi e Bao hanno mostrato un bel modo per sfruttare l’assorbimento ottico controllato da punti quantici di semiconduttori per spettrometri in miniatura. Dimostrano uno spettrometro -dice Feng Wang, professore associato di fisica presso l'Università della California a Berkeley non coinvolto nella ricerca -, che non è solo piccolo, ma anche con un throughput elevato e ad alta risoluzione spettrale, che non è mai stato raggiunto prima ".

“Se incorporato in piccoli dispositivi palmari, questo tipo di spettrometro, -dice Bao- potrebbe essere usato per diagnosticare le condizioni della pelle o analizzare campioni di urina. Potrebbero anche essere utilizzate per monitorare i segni vitali come livello di impulso e ossigeno, o per misurare l'esposizione a diverse frequenze di luce ultravioletta, che variano notevolmente nella loro capacità di danneggiare la pelle “.

"Il componente centrale di tali spettrometri - il quantum dot serie del filtro - è fabbricato , -aggiunge Bao- con l'elaborazione di una soluzione-based e stampa, consente in tal modo un significativo potenziale di riduzione del costo".