Wyjątkowe kropki kwantowe ZnO, na które czekał świat

Od wielu lat ogromnym wyzwaniem dla chemików było opracowanie prostej i efektywnej metody pozwalającej na wytwarzanie stabilnych kropek kwantowych podatnych na funkcjonalizację z zachowaniem ich unikalnych właściwości luminescencyjnych. Temu zadaniu podołał zespół pod kierownictwem prof. Janusza Lewińskiego z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej.

Wszystko zaczęło się 10 lat temu, kiedy z jednym z moich doktorantów gościliśmy w laboratorium, gdzie wytwarzano nanomateriały i zobaczyliśmy, jakie to jest proste – wspomina prof. Janusz Lewiński. Wtedy też zapytałem, dlaczego nie robimy tego w naszym laboratorium.

Kropka kropce nierówna

Kropki kwantowe to nanometrycznej wielkości kryształy (o wielkości ok. 2-10 nm), w przybliżeniu sferyczne, zbudowane z materiału półprzewodnikowego – tłumaczy doktorantka prof. Lewińskiego, Małgorzata Wolska-Pietkiewicz. Właściwości optyczne kropek kwantowych zależą głównie od ich rozmiaru, tzn. im mniejsza nanocząstka, tym kolor emitowanego światła przesunięty jest w kierunku barwy niebieskiej, a im większa – tym bardziej zbliżony do koloru czerwonego.

Dlaczego kropki kwantowe intrygują świat nauki? Wykonane są z materiałów półprzewodnikowych, a dzięki swojej wielkości wykazują szereg interesujących cech typowych dla obiektów kwantowych, m.in. pochłaniają i emitują promieniowanie wyłącznie o ściśle określonej energii. Wyjątkowe cechy optyczne kropek kwantowych powodują, że znajdują one coraz więcej zastosowań. Jeszcze do niedawna pojęcie kropka kwantowa popularne było tylko wśród naukowców, ale obecnie producenci telewizorów i monitorów LCD wprowadzają na rynek technologie oparte na „świecących” kropkach kwantowych.

Gdzie tkwi problem?

W celu nadania kropkom kwantowym pożądanych właściwości, ich nieorganiczny rdzeń musi być osłonięty odpowiednio zaprojektowaną otoczką zbudowaną ze związków organicznych. Jednym z najlepszych sposobów efektywnej modyfikacji takich "nanokapsułek" są proste i wydajne reakcje typu „click”, które pozwalają na łatwe przyłączanie różnorodnych związków chemicznych do organicznego płaszcza kropki kwantowej. W najbardziej wydajnych reakcjach typu "click", funkcję katalizatora pełnią zazwyczaj związki miedzi(I). Niestety, do tej pory obecność jonów miedzi sprawiała, że wytwarzane tradycyjnymi metodami kropki kwantowe ZnO traciły swoje unikalne właściwości luminescencyjne.

Kluczem do sukcesu zespołu prof. Lewińskiego było zatem opracowanie nowej, oryginalnej, metaloorganicznej metody syntezy kropek kwantowych ZnO z wyjątkowo szczelną otoczką organiczną, która efektywnie zabezpiecza rdzeń przed bezpośrednim kontaktem z jonami miedzi. Tak wytworzone kropki kwantowe ZnO po sfunkcjonalizowaniu metodą "click" zachowały swoje pierwotne właściwości luminescencyjne. Jest to znaczący postęp w porównaniu z powszechnie stosowaną metodą syntezy kropek kwantowych ZnO, jaką jest proces zol-żel z wykorzystaniem nieorganicznych prekursorów. Kropki kwantowe otrzymywane metodą zol-żel pokryte są nieszczelną otoczką ochronną, co powoduje bezpośredni kontakt jonów miedzi z powierzchnią ZnO i całkowite wygaszenie luminescencji.

Unikatowa metoda

Jak otrzymać świecące kropki kwantowe ZnO? Odpowiednio zaprojektowany prekursor cynkoorganiczny poddajemy w sposób kontrolowany ekspozycji na powietrze atmosferyczne i otrzymujemy nanocząstki tlenku cynku – wyjaśnia Małgorzata Wolska-Pietkiewicz. W zależności od czasu i temperatury, możemy sterować wielkością otrzymywanych nanocząstek.

Metoda opracowana przez zespół prof. Lewińskiego została już opatentowana.

W klasycznej metodzie zol-żel, w której proces wytwarzania nanokryształów jest kontrolowany kinetycznie, trudno jest zachować powtarzalność. Metoda naukowców z PW jest kontrolowana termodynamicznie i dlatego łatwiej było uzyskać wysoką jakość kropek kwantowych oraz powtarzalność procesu.

Naukowcy wykazali również, że potrafią tak "zaprogramować" kropki kwantowe, aby tworzyły układy koloidalne, stabilne w środowisku wodnym oraz aby były niemal całkowicie nietoksyczne względem materiału biologicznego. Pozwoli to w przyszłości na zastosowanie kropek kwantowych tlenku cynku jako m.in. nanoznaczników fluorescencyjnych w zastosowaniach biologicznych lub diagnostyce medycznej. Takie nanoobiekty mogą być używane do znakowania zarówno pojedynczych komórek, jak też całych tkanek. Wyjątkowe właściwości kropek kwantowych umożliwiają ponadto długotrwałe monitorowanie znakowanego elementu, np. drogi dostarczania leku.

Chemia bez granic

Droga do tak wyjątkowego odkrycia jest długa i wyboista. Nie jest to wynik genialnego przebłysku, lecz raczej wieloletnich badań na poziomie podstawowym. Staramy się zrozumieć dogłębnie poszczególne etapy przemian chemicznych i wówczas łatwiej jest nam racjonalnie projektować układy reakcyjne. My uprawiamy 'chemię bez granic' – śmieje się prof. Lewiński. Nie postrzegamy chemii poprzez wąskie specjalizacje. Dla nas chemia to dziedzina nauki polegająca na wysoce kontrolowanym rozrywaniu i tworzeniu wiązań chemicznych w celu nadawania pożądanej funkcji molekułom lub materiałom.

Post scriptum

Obecnie najczęściej stosowane są kropki kwantowe zawierające w swojej strukturze metale ciężkie, co znacznie ogranicza stosowanie ich np. do celów medycznych. Tę przeszkodę musieli ominąć naukowcy z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej i Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

Opracowaliśmy nową metodę syntezy kropek kwantowych ZnO i wstępne badania pokazują, że nasze kropki mają wyjątkowe właściwości – podkreśla prof. Lewiński. Poza niemal identycznym kształtem i rozmiarem, nie ulegają one agregacji oraz pokryte są jednorodną, szczelną otoczką organiczną, która jest odporna zarówno względem środowiska chemicznego, jak i biologicznego. Wykazują one także wyjątkowo długie czasy życia luminescencji (setki mikrosekund), setki milionów razy dłuższe w porównaniu z klasycznymi kropkami kwantowymi, otrzymywanymi z prekursorów nieorganicznych. Wyjątkowa jakość otrzymywanych nanomateriałów otwiera nowe możliwości do ich różnorodnych zastosowań.

W celu dalszego rozwijania technologii wytwarzania kropek kwantowych ZnO, zespół planuje założyć własne centrum badawczo-rozwojowe. Obecnie trwają intensywne prace nad pozyskiwaniem funduszy zarówno z projektów rządowych, jak i inwestorów prywatnych.

kropki kwantowe ZnO Politechnika Warszawska Janusz Lewiński Małgorzata Wolska-Pietkiewicz