Награжденные Нобелевской премией по химии 2023 года, квантовые точки имеют широкий спектр применения: от дисплеев и светодиодных ламп до катализа химических реакций и биовизуализации. Эти полупроводниковые нанокристаллы настолько малы — порядка нанометров, — что их свойства — такие как цвет — зависят от размера, и они начинают проявлять квантовые свойства. Эта технология хорошо развита, но только в видимом спектре, оставляя неиспользованные возможности для технологий как в ультрафиолетовой, так и в инфракрасной областях электромагнитного спектра.

В новом исследовании , опубликованном в Nature Synthesis , профессор биоинженерии Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне Эндрю Смит и научный сотрудник-постдокторант Вонсок Ли разработали нанокристаллы селенида ртути (HgSe) и селенида ртути и кадмия (HgCdSe), которые поглощают и излучают в инфракрасном диапазоне, изготовленные из уже хорошо разработанных прекурсоров селенида кадмия (CdSe) видимого спектра. Новые нанокристаллические продукты сохраняют желаемые свойства исходных нанокристаллов CdSe, включая размер, форму и однородность.

«Это первый пример инфракрасных квантовых точек , которые по качеству не уступают квантовым точкам видимого спектра», — говорит Смит.

Хотя технология нанокристаллов существует уже более 50 лет, только нанокристаллы, работающие в видимой части спектра, были значительно усовершенствованы. Смит объясняет: «Они являются большой частью устройств отображения и большой частью любой технологии, поглощающей или излучающей свет. Просто был внутренний толчок к разработке технологии, которая в конечном итоге будет иметь самый большой рынок».

Помимо рыночного спроса на нанокристаллы видимого спектра, химия сложнее для материалов в инфракрасном диапазоне, который имеет большую длину волны и меньшую энергию, чем свет в видимом спектре. Чтобы достичь поглощения и испускания света в инфракрасном диапазоне, необходимо использовать более тяжелые элементы, которые находятся ниже в периодической таблице. Химия с этими элементами сложнее, приводит к большему количеству нежелательных побочных реакций и менее предсказуемым реакциям. Они также склонны к деградации и восприимчивы к изменениям окружающей среды, таким как вода.

Нанокристаллы квантовых точек могут быть сделаны из элементарных полупроводников, таких как кремний, или они могут быть бинарными или тройными. Смешение двух элементов может дать много разных свойств. Смешение трех элементов вместе может дать экспоненциально больше свойств.

«Мы сосредоточились на этом типе материала, тройном сплаве — селениде ртути и кадмия, — потому что мы думаем, что это может быть «идеальный» материал для производства», — говорит Смит. «По сути, вы можете получить любое свойство, которое захотите, изменяя соотношение атомов кадмия и ртути. Он может охватывать этот огромный диапазон электромагнитного спектра — через весь инфракрасный и весь видимый спектр — и получить так много свойств».

Смит пытался создать этот материал еще во время учебы в аспирантуре, но безуспешно, и даже в более широком исследовательском сообществе до сих пор не было сообщений об успехах.

«Мы сделали это следующим образом: взяли [один из] уже усовершенствованных, видимых образцов — селенид кадмия, который считается наиболее разработанной квантовой точкой, и использовали его в качестве «жертвенной формы»», — говорит он.

Замена атомов кадмия атомами ртути мгновенно переводит все в инфракрасный спектр, сохраняя при этом все желаемые качества: сильное поглощение света, сильное излучение света и однородность.

Чтобы сделать это, Смиту и Ли пришлось отказаться от традиционного метода синтеза нанокристаллов, который заключается в смешивании исходных элементов. При правильных условиях они распадаются в нужную нанокристаллическую форму. Как оказалось, для ртути, кадмия и селенида не существует условий, которые кто-либо нашел бы для работы.

«Ли разработал новый процесс, который называется интердиффузионный усиленный катионный обмен», — говорит Смит. «В этом процессе мы добавляем четвертый элемент, серебро, которое вносит дефекты в материал, заставляющие все смешиваться однородно. И это решило всю проблему».

Хотя квантовые точки имеют множество применений, одно из применений инфракрасных квантовых точек, которое может оказать наибольшее влияние, — это использование в качестве молекулярных зондов для визуализации, где их можно помещать в биологические системы и обнаруживать в тканях. Поскольку большинство квантовых точек излучают в видимом спектре , можно обнаружить только излучение вблизи поверхности кожи. Биология, однако, довольно прозрачна в инфракрасном диапазоне, и поэтому можно зондировать более глубокие ткани.

Мыши являются стандартными моделями для большинства заболеваний, и Смит объясняет, что с квантовыми точками, которые излучают в инфракрасном диапазоне, исследователи смогут видеть почти полностью насквозь живого грызуна, чтобы увидеть его физиологию и расположение определенных молекул по всему телу. Это позволит лучше понять биологические процессы и разрабатывать терапевтические средства без необходимости жертвовать мышами, что потенциально изменит доклиническую разработку лекарств.