Spettrometro con i quantum dot

I ricercatori del MIT hanno progettato uno spettrometro quantum-dot abbastanza piccolo da funzionare all’interno di uno smartphone, consentendo l’analisi della luce con questo portatile.

Il dispositivo spettrometro a Quantum Dot

Come si rappresenta un punto quantico

(QD) riesce a stampare filtri QD,che costituiscono una fase chiave di fabbricazione. Altri approcci degli spettrometri hanno sistemi complicati per creare le strutture ottiche necessarie. Nell’approccio della costruzione dello spettrometro QD, la struttura ottica – filtri QD – viene generata stampando goccioline liquide,un approccio unico e vantaggioso in termini di flessibilità, semplicità e riduzione dei costi.

Gli strumenti che misurano le proprietà della luce, noti come spettrometri, sono ampiamente utilizzati in fisica, chimica e ricerca biologica. Dispositivi in genere troppo grandi perché siano portatili, ma gli scienziati del MIT hanno creato spettrometri

Un minispettrometro a quantum dot

abbastanza piccoli da stare in una telecamera di smartphone, utilizzando piccole nanoparticelle di semiconduttori , i cosiddetti punti quantici.
Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati per diagnosticare le malattie, in particolare le condizioni della pelle, o per rilevare inquinanti ambientali e le condizioni alimentari,- dice Jie Bao, ex postdoc MIT e autore principale- della ricerca che descrive gli spettrometri quantum dot .
Rappresentano anche una nuova applicazione per i punti quantici, utilizzati principalmente per etichettatura di cellule e molecole biologiche, come pure negli schermi televisivi e dei computer.
“L’utilizzo di punti quantici per spettrometri -dice Moungi Bawendi, professore di Chimica al MIT e alla Lester Wolfe – è un’applicazione così semplice rispetto a tutto il resto che abbiamo cercato di fare, e penso che sia molto interessante”.
Spettrometri shrinking
I primi spettrometri consistevano in prismi che separavano luce nelle sue costituenti lunghezze d’onda, mentre i modelli attuali usano strumenti ottici quali i reticoli di diffrazione per ottenere lo stesso effetto. Gli spettrometri sono utilizzati in un’ampia varietà di applicazioni, come studiare processi atomici e livelli di energia in fisica, o analizzare campioni di tessuto per la ricerca e la diagnostica biomedica.
La sostituzione delle apparecchiature ottiche ingombranti, con punti quantici, ha permesso al team del MIT di ridurre gli spettrometri a circa le dimensioni di un quarto, e di approfittare di alcune delle proprietà intrinseche e quindi utili dei punti quantici.
I quantum dots, sono un tipo di nanocristalli scoperti nei primi anni 1980 e, realizzati combinando metalli come 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,in sostanza, un numero illimitato di punti, con differenze nella proprietà elettronica, denominato band-gap, che determina le lunghezze d’onda della luce che, ogni punto, assorbirà.
Tuttavia, la maggior parte delle applicazioni esistenti di punti quantici non prendono vantaggio da 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 di punti quantici – dice Bawendi – una proprietà molto più difficile da controllare. E ‘molto difficile fare qualcosa che reagisce molto brillantemente, perché in questo modo si proteggono i punti, ma devi fare tutto con questa ingegneria”.
Gli scienziati stanno anche lavorando su cellule solari basate su punti quantici,

Cellule solari a punti quantici

che utilizzano la capacità dei punti di convertire la luce in elettroni. Tuttavia, questo fenomeno non è ben compreso, e quindi difficile da manipolare.
D’altra parte, le proprietà di assorbimento per i punti quantici , sono ben note e molto stabili. “Se -dice Bao -siamo in grado di fare affidamento su queste proprietà, è possibile creare applicazioni che avranno un maggiore impatto, relativamente, entro poco tempo “.
Ampio spettro
Il nuovo spettrometro a quantum dot distribuisce centinaia di materiali a punti quantici che, ogni filtro organizza, secondo uno specifico insieme di lunghezze d’onda della luce. I filtri a punti quantici sono stampati in un film sottile e posti sulla cima di una cellula fotoelettrica, come i dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) nelle telecamere dei cellulari.
I ricercatori hanno creato un algoritmo che analizza la percentuale di fotoni assorbiti da ogni filtro, quindi ricombina le informazioni da ciascuno, riuscendo a calcolare l’intensità e lunghezza d’onda dei raggi di luce originali.
I materiali a punti quantici che ne posseggono di più , possono riuscire a coprire più lunghezze d’onda e permettono di ottenere la più alta risoluzione. In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato circa 200 tipi di punti quantici, sviluppati su una gamma di circa 300 nanometri. Con un maggior numero di punti, tali spettrometri potrebbe essere progettati per coprire una più ampia gamma di frequenze di luce.
“Bawendi e Bao hanno mostrato un bel modo di sfruttare l’assorbimento ottico, controllato da punti quantici di semiconduttori, per spettrometri miniaturizzati. Dimostrano -spiega Feng Wang, professore associato di fisica (Università di California), non coinvolto nella ricerca- la struttura di uno spettrometro che non solo è piccolo, ma anche con un throughput elevato e un alta risoluzione spettrale, mai raggiunta prima”. “Se inserito in piccoli dispositivi palmari, -dice Bao – questo tipo di spettrometro potrebbe essere usato per diagnosticare le condizioni della pelle o analizzare campioni di urina. Potrebbero anche essere utilizzati per monitorare i segni vitali come impulso e il livello di 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 – la matrice del filtro quantum dot – aggiunge Bao – è fabbricato con elaborazione a base di soluzione e di stampa, consentendo in tal modo un notevole potenziale di riduzione dei costi”.