集成量子点的平板电视已经商用。然而，制造它们的“量子棒(quantum rod)”阵列对于商业设备来说要苦难的多。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团队利用折叠DNA制成的支架，提出了一种精确组装量子棒阵列的新方法。他们通过以高度受控的方式将量子棒沉积到 DNA 支架上，从而调节方向，这是决定阵列发射光偏振的关键因素，使向虚拟场景添加深度和维度变得更加容易。

Mark Bathe是麻省理工学院生物工程教授，同时也是这项新研究的资深作者，他说:“量子棒技术的一大挑战是:如何在纳米级别上进行排列，让它们都指向同一个方向? 当它们在 2D 表面上都指向同一方向时，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。”

该研究成果以“Ultrafast dense DNA functionalization of quantum dots and rods for scalable 2D array fabrication with nanoscale precision”为题，被发表在《科学进展》上。麻省理工学院博士后Chi Chen和Xin Luo是这篇论文的主要作者。该论文的其他联合作者分别是材料科学与工程副教授Robert Macfarlane、Alexander Kaplan博士和化学教授Lester Wolfe。

纳米级结构

在过去15年里，Bathe和其他人在DNA纳米结构的设计和制造方面处于领先地位，该技术也被称为DNA折纸。DNA是一种高度稳定和可编程的分子，是用于各种应用的微型结构的理想材料，包括输送药物、充当生物传感器，或形成光捕获材料的支架。

通过DNA折纸技术得到的各类结构图形

Bathe的实验室开发出一种计算方法，让研究人员只需简单输入他们想要创建的纳米级形状，程序就会计算出能够自组装成正确形状的 DNA 序列。他们还开发出了其他可扩展的制造方法，将量子点整合到这些基于DNA的材料中。

Bathe和Chen在 2022 年的一篇论文中表明，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，共同解决将量子棒排列成二维阵列的挑战，这更加困难，因为量子棒需要沿同一方向对齐。

现有的方法是 利用织物的机械摩擦或电场将量子棒扫向一个方向，从而制造出排列整齐的量子棒阵列。这种方法效果比较局限，因为高效的发光要求杆状体彼此之间保持至少10纳米的距离，这样它们就不会“淬灭”或抑制旁边量子棒的光。

为了实现这一目标，研究人员设计了一种将量子棒附着到钻石状的菱形DNA结构上的方法，用以保持理想的距离。然后将这些DNA结构附着在一个表面上，像拼图一样组合在一起。

Bathe表示:“量子棒以相同的方向放置在纳米级DNA结构上，因此现在可以通过在 2D 表面上自组装来对所有这些量子棒进行图案化，并且可以在 microLED 等不同应用所需的微米尺度上实现这一点。你可以将它们定向到可控的特定方向，并让它们彼此保持适当距离，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， Chi Chen开发了一种工艺，将DNA乳化，使之与量子棒混合，然后迅速使混合物脱水，从而使DNA分子在量子棒表面形成致密层。

这个过程只需要几分钟，比现有任何将DNA附着到纳米级粒子上的方法都要快，这可能是实现商业应用的关键。

Chen表示：“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有亲和力的亲水配体，能够立即被推到纳米级颗粒的表面。这种方法可以将制造时间从几天减少到只要几分钟。”

这些DNA链就像魔术贴一样把量子棒粘在DNA折纸模板上，形成一层薄膜，覆盖在硅酸盐表面上。这种DNA薄膜首先是通过自组装形成的，通过沿着DNA模板边缘伸出的DNA链将相邻的DNA模板连接在一起。

研究人员现在希望创造具有蚀刻图案的晶圆级表面，这有助于他们扩展设计应用，而不仅仅是 microLED 或VR/AR设备。

Macfarlane 表示：“我们在论文中描述的方法很棒，因为它可以很好地控制量子棒的空间和方向定位。接下来要制作更分层的数组，带长度不等的编程结构。控制这些量子棒阵列的大小、形状和位置的技术是通往各种不同电子应用的门户。”

Bathe补充道：“DNA是一种别具魅力的制造材料，因为生物生产既可扩展又可持续。下一步的重点是通过解决剩下的几个瓶颈问题，包括转向对环境来说更安全的量子棒等，从而把这项技术转向商业。”

本文编译自：

https://phys.org/news/2023-08-arrays-quantum-rods-tvs-virtual.html

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