Kropki kwantowe to struktury krystaliczne o rozmiarach pojedynczych nanometrów (milionowych części milimetra). Wykonane z materiałów półprzewodnikowych, wykazują szereg interesujących cech typowych dla obiektów kwantowych, m.in. pochłaniają i emitują promieniowanie wyłącznie o ściśle określonej energii. Ponieważ w podobny sposób ze światłem oddziałują atomy, kropki kwantowe często nazywa się sztucznymi atomami. Pod pewnymi względami kropki oferują jednak więcej możliwości niż atomy. Właściwości optyczne każdej kropki zależą bowiem od jej rozmiaru i rodzaju tworzącego ją materiału. Oznacza to, że kropki można bardzo precyzyjnie projektować pod kątem konkretnych zastosowań.

Kropki kwantowe przydawać się mogą w różnych procesach technologicznych oraz jako nanoznaczniki, m.in. w biologii i medycynie, gdzie łączy się je z cząsteczkami aktywnymi biologicznie. Tak sfunkcjonalizowane nanoobiekty są używane do znakowania zarówno pojedynczych komórek, jak też całych tkanek. Wyjątkowe właściwości kropek kwantowych umożliwiają ponadto długotrwałe monitorowanie znakowanego elementu.

Powszechnie stosowane kropki kwantowe zawierają jednak metale ciężkie, w tym toksyczny kadm, a na dodatek w roztworach zlepiają się, co jest kolejnym argumentem wzmacniającym tezę o braku szczelności ich otoczek. Tymczasem kropki kwantowe tlenku cynku (ZnO) otrzymywane przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie i Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej (WCh PW) nie są toksyczne, nie agregują i mogą być wiązane z wieloma cząsteczkami chemicznymi - a więc znacznie lepiej nadają się do diagnostyki medycznej oraz do obrazowania komórek i tkanek.

Kropka w kropkę

Aby kropki kwantowe dopasować do konkretnych potrzeb, do kropek dołącza się cząsteczki chemiczne o odpowiednich cechach. Z uwagi na prostotę i efektywność oraz szybkość i wydajność procesu, wyjątkowo dogodną metodą są reakcje typu click, w których dwie różne cząsteczki chemiczne są łączone za pomocą prostych i wydajnych reakcji pełniących rolę chemicznych zatrzasków. Niestety, jedna z najłatwiejszych „klikających” reakcji przebiega z udziałem jonów miedzi, co w rezultacie powoduje niemal całkowite wygaszanie luminescencji kropek kwantowych.

- Przyczyna niepowodzeń najczęściej wynika z nieodpowiedniej jakości kropek kwantowych, zwykle uwarunkowanej użytą metodą syntezy. Obecnie kropki kwantowe ZnO wytwarza się głównie tzw. metodą zol-żel z prekursorów nieorganicznych. Tak powstające kropki są pokryte niejednorodną i prawdopodobnie nieszczelną otoczką ochronną, złożoną z przeróżnych cząsteczek chemicznych. Jony miedzi mają wtedy bezpośredni kontakt z powierzchnią kropki kwantowej i wygaszają luminescencję kropki, która staje się całkowicie bezużyteczna - wyjaśnia pierwsza autorka artykułu w czasopiśmie „Chemical Communications" dr Agnieszka Grala (IChF PAN).

Od kilku lat zespół prof. Janusza Lewińskiego rozwija alternatywną metodę chemicznej produkcji kropek kwantowych ZnO. Metoda, chroniona kilkoma patentami, pozwala wytwarzać nanocząstki tlenku cynku z prekursorów metaloorganicznych. Skład nanocząstek można tu zaprojektować jeszcze na etapie przygotowywania prekursorów, a sam przebieg reakcji daje możliwość precyzyjnego kontrolowania rozmiarów tworzących się struktur.

Miedź i kropka

Naukowcy w swoich badaniach musieli zmierzyć się z poważnym wyzwaniem. Właściwości fizyczne, chemiczne czy biologiczne kropek kwantowych trzeba za każdym razem dopasować do bieżących potrzeb. Niestety, do funkcjonalizowania kropek wytwarzanych dotychczasową metodą nie można było używać jednej z szerokiej grupy szybkich i wydajnych reakcji typu click.

Przyczyną był katalizator zawierający jony miedzi, które niszczą zdolność kropek do świecenia. Naukowcy z IChF PAN i Wydziału Chemicznego PW wykazali jednak, że kropki kwantowe, wytwarzane opracowaną przez nich oryginalną metodą, po modyfikacji metodą click z udziałem jonów miedzi w pełni zachowują zdolność do emisji światła.

- Reakcje typu click katalizowane kationami miedzi od dawna przyciągały uwagę chemików zajmujących się kropkami kwantowymi. Wyniki doświadczeń były jednak rozczarowujące: po zmodyfikowaniu kropki świeciły tak słabo, że po prostu nie nadawały się do użycia. My jako pierwsi demonstrujemy, że kropki kwantowe wyprodukowane z użyciem prekursorów metaloorganicznych po poddaniu „klikającym” reakcjom z jonami miedzi w roli katalizatora nie tracą swych cennych właściwości optycznych - mówi prof. Janusz Lewiński z Wydziału Chemicznego PW i IChF PAN.

- Nanocząstki wyprodukowane naszą metodą mają krystaliczną budowę i sferyczny kształt, praktycznie ten sam rozmiar oraz cechy typowe dla kropek kwantowych. Każdą taką kropkę stabilizuje mocno zakotwiczony na powierzchni półprzewodnikowego rdzenia >nieprzemakalny< płaszcz ochronny, zbudowany z wybranych przez nas związków organicznych. W efekcie kropki kwantowe ZnO pozostają długo stabilne, a w roztworach nie agregują, czyli nie zlepiają się ze sobą - opisuje doktorantka Małgorzata Wolska-Pietkiewicz z Wydziału Chemicznego PW.

- Kluczem do sukcesu jest wytworzenie jednorodnej otoczki stabilizującej. Takie otoczki są charakterystyczne dla kropek kwantowych ZnO otrzymywanych naszą metodą. Warstwa ochronna tworzy tu szczelny parasol ochronny, który zabezpiecza kropki przed bezpośrednim wpływem jonów miedzi -  mówi dr Grala i dodaje, że po sfunkcjonalizowaniu kropki kwantowe świeciły tak samo jak na początku. A to otwiera drogę do kolejnych zastosowań.

Badania nad metodami produkcji sfunkcjonalizowanych kropek kwantowych ZnO zostały zrealizowane w ramach grantu OPUS Narodowego Centrum Nauki.

Podobny materiał:
Mechanochemiczna metoda syntezy perowskitów