Unser Erbmolekül DNA könnte künftig QLED-Fernseher und Bildschirme mit Quanten-LEDs verbessern – und sogar neuartige 3D-Displays ermöglichen, wie ein US-Forschungsteam demonstriert. Sie haben Gitter aus DNA-Strängen erzeugt, die lichterzeugenden Quantenstäbchen als Gerüst dienen und so deren Ausrichtung und Abstände optimieren. Dies ermöglicht effizientere Quanten-LEDs, deren polarisiertes Licht sich für 3D-Displays eignet, wie das Team in „Science Advances“ berichtet.
Viele neuere Fernseher haben Bildschirme mit Quantenpunkt-LEDs (QLED). Dabei handelt es sich um Leuchtdioden, die ihre Leuchtkraft und Farbe aus Halbleiter-Nanokristallen beziehen. Werden diese Quantenpunkte durch Stromzufuhr angeregt, kommt es in ihnen zu einer Rekombination von Elektronen und positiven „Löchern“, die Photonen freisetzt. Weil die Wellenlänge dieses Lichts je nach Quantenpunkt spezifisch ist, sind die Farben solcher Quantenpunkt-LEDs intensiver und schärfer abgegrenzt als bei klassischen LEDs.
Quantenstäbchen statt Punkten
Noch effizienter und vielseitiger als Quantenpunkte könnten allerdings Displays mit Quantenstäbchen (Quantum Rods, QR) sein. Bei ihnen ist der Nanokristall länglich statt punktförmig und dadurch können diese Quantenkristalle nicht nur farbiges, sondern auch polarisiertes Licht erzeugen. Damit könnten die Quantenstäbchen auch die Entwicklung neuartiger 3D-Fernseher und VR-Displays ermöglichen.
Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Quantenstäbchen regelmäßig und gleich ausgerichtet sind. Denn haben die QRs weniger zehn Nanometer Abstand zueinander, stören sie sich gegenseitig und die Lichtausbeute sinkt. Liegen die Quantenstäbchen zudem noch kreuz und quer, stimmt die Schwingungsrichtung der von ihnen freigesetzten Strahlung nicht überein und das Licht ist nicht mehr polarisiert. Zwar gibt es Methoden, um die Quantenstäbchen nachträglich zu vereinzeln und auszurichten, beispielswiese durch elektrische Felder oder mechanische Einwirkung. Dies ist jedoch zeitaufwändig und nur bedingt erfolgreich.
Hilfe durch DNA-Origami
An diesem Punkt kommt ein Molekül ins Spiel, das jeder von uns milliardenfach in sich trägt: die DNA. Dank des Aufbaus aus Strängen mit komplementären Basenpaaren kann sich unser Erbmolekül selbstständig zu Doppelsträngen, aber auch komplexeren Gebilden zusammenfügen. Im Zuge des sogenanntes DNA-Origamis haben Wissenschaftler diese Fähigkeit zur Selbstorganisation bereits genutzt, um DNA-Netze, dreidimensionale Konstrukte und sogar Nano-Roboter und eine Mona Lisa im Nanoformat zu konstruieren.
Ein Team um Chi Chen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun das DNA-Origami genutzt, um Quantenstäbchen auf einfache und schnelle Weise auszurichten. Im ersten Schritt statteten sie dafür gängige, kommerziell erhältliche Quantenstäbchen mit Anhängen aus kurzen DNA-Stückchen aus. Dafür werden die Halbleiter-Nanokristalle in eine Salzlösung mit Einzelstrang-DNA-Abschnitten gegeben und das Ganze mittels Ultraschall emulgiert. Nach Zugabe von Butanol und erneutem Mischen bilden die DNA-Stränge eine dichte „Fransenhülle“ um die Quantenstäbchen.
Geordnete Stäbchen im Gitter
Nun folgt der zweite Schritt: Mittels DNA-Origami erzeugen die Forschenden ein Gitternetz aus rautenförmig miteinander verbundenen DNA-Abschnitten. Die Erbgutmoleküle sind dabei so angeordnet, dass sie in jeder Raute zusätzlich ein Kreuz bildeten. „Der Schlüssel, um die Ausrichtung dieser Origami-Fließen innerhalb des 2D-Gitters zu kontrollieren, liegt darin, Querverbindungen zwischen ihnen zu schaffen“, erklären Chen und sein Team. „Das erreichten wir, indem wir seitliche DNA-‚Überhänge‘ entwarfen, die sich mit einer spezifischen Lücke in der angrenzenden DNA-Raute verbinden können.“
Im letzten Schritt werden die vorbehandelten Quantenstäbchen zum DNA-Gitternetz gegeben. Weil ihre DNA-Anhänge komplementär zu spezifischen Basenabfolgen der DNA-Rauten sind, lagern sich die Nanokristalle an jeweils nur einen Arm der zentralen Kreuze an – alle zeigen dadurch in die gleiche Richtung. „Durch diese Selbstorganisation haben wir die Quantenstäbchen ausgerichtet auf die 2D-Oberfläche appliziert“, sagt Seniorautor Mark Bathe vom MIT. „Gleichzeitig können wir sie so auf Abstand halten.“
Hohe Effizienz und kurze Produktionszeit
In einem Praxistest nutzten die Forschenden diese Methode, um eine Sorte gängiger Quantenpunkte (QD600) und eine Sorte Quantenstäbchen (QR620) auf dem DNA-Gerüst zu platzieren. „Aufnahmen mit dem Rasterkraftmikroskop zeigten eine exzellente Beladungs-Effizienz von mehr als 90 Prozent der Quantenpunkte/Quantenstäbchen auf das Origamigitter“, berichten Chen und seine Kollegen. Demnach trugen hinterher fast alle DNA-Rauten einen Nanokristall. Bei Anregung erzeugte die winzige Testfläche einen höheren Anteil polarisiertes Licht als Kontrollflächen mit ungeordneten Quantenstäbchen.
Nach Ansicht des Forschungsteams bietet das DNA-Origami damit eine vielversprechende Methode, um künftig Quanten-LEDs und anderen Anwendungen von Quantenstäbchen herzustellen. „Indem wir diese Methode einsetzen, erreichen wir eine signifikante Verringerung der Herstellungszeit von mehreren Tagen auf nur noch Minuten“, sagt Chen. Gleichzeitig ermögliche das Verfahren eine präzisere Anordnung der Quantenstäbchen.
Mögliche Basis für neue 3D-Displays
Dies könnte Anwendungen wie QLED-Fernseher verbessern, aber auch neue Technologien wie 3D-Displays auf Basis des polarisierten Lichts ermöglichen. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler ihre Methode so optimieren, dass sich auch größere Flächen mit dem DNA-Gitter herstellen lassen – bisher sind ihre Testflächen winzig. „Wir konzentrieren uns als nächstes darauf, diese Flaschenhälse zu beheben, um die Methode für kommerzielle Geräte nutzbar zu machen“, sagt Bathe. (Science Advances, 2023; doi: 10.1126/sciadv.adh8508)
Quelle: Massachusetts Institute of Technology
