Переход от видимого к инфракрасному: создание высококачественных нанокристаллов
Квантовые точки, отмеченные Нобелевской премией по химии 2023 года, имеют широкий спектр применений — от дисплеев и LED-ламп до катализа химических реакций и биовизуализации. Эти полупроводниковые нанокристаллы настолько малы (порядка нанометров), что их свойства, например цвет, зависят от размера, и они начинают проявлять квантовые свойства. Технология хорошо развита, но только в видимой части спектра, оставляя неиспользованными возможности для технологий в ультрафиолетовой и инфракрасной областях.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Synthesis, профессор биоинженерии Университета Иллинойса Эндрю Смит и постдокторант Вонсок Ли разработали нанокристаллы селенида ртути (HgSe) и селенида ртути-кадмия (HgCdSe), которые поглощают и излучают в инфракрасном диапазоне. Они созданы из уже хорошо разработанных прекурсоров для видимого спектра — нанокристаллов селенида кадмия (CdSe). Новые нанокристаллы сохраняют желаемые свойства исходных CdSe-нанокристаллов: размер, форму и однородность.
«Это первый пример инфракрасных квантовых точек, которые находятся на том же уровне качества, что и точки в видимом спектре», — говорит Смит.
Хотя технология нанокристаллов существует более 50 лет, значительно продвинулись только нанокристаллы, работающие в видимой части спектра. Смит объясняет это рыночным спросом и химической сложностью. Для инфракрасного диапазона (более длинноволнового и низкоэнергетического) необходимо использовать более тяжелые элементы из нижней части таблицы Менделеева. Химия с этими элементами сложнее, приводит к большему количеству побочных реакций и менее предсказуема. Материалы также склонны к деградации.
Квантовые точки могут быть бинарными или тройными. Смешивание трех элементов дает экспоненциально больше свойств.
«Мы сосредоточились на одном типе материала — тройном сплаве селенида ртути-кадмия (HgCdSe), — потому что считаем, что он может быть "идеальным" материалом, — говорит Смит. — Вы можете получить практически любое свойство, изменяя соотношение атомов кадмия и ртути. Он может охватывать огромный диапазон электромагнитного спектра — весь инфракрасный и весь видимый спектр».
Смит пытался создать этот материал со времен аспирантуры без успеха, как и все научное сообщество. Прорыв стал возможен благодаря новому подходу.
«Мы взяли уже совершенные, видимые нанокристаллы — селенид кадмия (самые развитые квантовые точки) — и использовали их как "жертвенную форму"», — объясняет он.
Замена атомов кадмия на атомы ртути мгновенно смещает свойства в инфракрасный спектр с сохранением всех желаемых качеств: сильного поглощения и излучения света, а также однородности.
Для этого исследователям пришлось отказаться от традиционного метода синтеза (смешивания прекурсоров). Оказалось, что не существует условий, при которых ртуть, кадмий и селен образуют нужный нанокристалл.
«Ли разработал новый процесс, названный "катионным обменом с усиленной взаимной диффузией" (interdiffusion enhanced cation exchange), — говорит Смит. — В этом процессе мы добавляем четвертый элемент — серебро, которое создает дефекты в материале, заставляя все компоненты однородно смешиваться. Это решило всю проблему».
Одним из наиболее перспективных применений инфракрасных квантовых точек являются молекулярные зонды для визуализации в биологических системах. Поскольку большинство квантовых точек излучают в видимом спектре, детектировать можно только излучение у поверхности кожи. Однако биологические ткани довольно прозрачны для инфракрасного излучения, что позволяет зондировать более глубокие ткани.
Используя стандартные модели мышей для изучения болезней, с инфракрасными квантовыми точками исследователи смогут практически «видеть насквозь» живого грызуна, наблюдая его физиологию и локализацию специфических молекул в теле. Это позволит лучше понять биологические процессы и разрабатывать терапевтические средства без необходимости умерщвлять животных, что может изменить доклиническую разработку лекарств.