Американские химики создали платформу для получения в микроканалах наночастиц, которая позволяет прямо в процессе синтеза отслеживать их оптические свойства. Это позволило получить перовскитные квантовые точки с заданными свойствами, говорится в статье, опубликованной в Lab on a Chip.

Использование для химического синтеза микроканалов позволяет проводить большое количество одинаковых реакций в условиях ограниченного объема. Часто, если химическую реакцию невозможно осуществить в объемной среде, использование микрофлюидных устройств является единственным способом увеличить ее выход. Но для того, чтобы правильно подобрать условия такой реакции — скорость жидкости и концентрации отдельных компонентов — необходимо проводить анализ реакционной смеси по ходу протекания реакции. В микроканалах реакция проходит в движущейся среде, поэтому такой анализ является довольно затруднительным. Устройства для изучения состояния реакционной смеси являются неподвижными и позволяют получать только один вид данных. Например, в случае спектроскопических исследований это обычно или только спектры поглощения, или только спектры люминесценции.

Квантовые точки смешанного бромида цезия и свинца, полученные с помощью предложенной методики. Сторона одной квантовой точки составляет от 5 до 15 нанометров. R. W. Epps et al./ Lab on a Chip, 2017

В своей работе американские ученые предложили новую конфигурацию микрофлюидной платформы, с помощью которой можно проводить анализ прямо по ходу протекания реакции в движущейся среде. Микрофлюидная часть этого устройства состоит из трех входных каналов, в которые с определенной скоростью подаются отдельные компоненты реакционной смеси и несущая жидкая среда. После смешивания компонентов жидкость попадает в длинный микрореактор (длиной от трех сантиметров до почти двух метров), вдоль которого движется устройство для анализа спектров поглощения и флуоресценции содержимого микроканала. Сама по себе эта система не является микрофлюидным чипом, но позволяет оценивать состояние реакционной смеси при заданных условиях и подбирать необходимые для синтеза условия: концентрацию компонентов реакционной смеси, длину канала и скорость потока несущей среды.

Схема устройства для анализа оптических свойств реакционной смеси в микроканале. R. W. Epps et al./ Lab on a Chip, 2017

Для проверки работы предложенного устройства ученые с помощью него подобрали условия, необходимые для синтеза квантовых точек (полупроводниковых наночастиц) смешанного бромида цезия и свинца CsPbBr₃ со структурой перовскита. Такие кристаллы используются в качестве светоизлучающих элементов, поэтому необходимо очень точно контролировать их размер и оптические свойства.

Оказалось, что при течении по каналу протекающая химическая реакция приводит к изменению размера и оптических свойств квантовых точек. Поэтому в зависимости от времени, проведенного в реакционной зоне (то есть скорости потока среды), можно получить частицы, которые излучают свет разной длины волны. Проанализировав спектры поглощения и флуоресценции частиц при разных условиях, ученые смогли подобрать такие скорости потока, которые необходимы для получения квантовых точек, излучающих во всем видимом диапазоне спектра — от красного цвета до фиолетового.

Milad Abolhasani

Авторы работы отмечают, что с помощью предложенного устройства можно получать до 30 тысяч спектров в день как с однофазных, так и с многофазных сред, что примерно на два порядка больше, чем можно получить традиционными методами. Ученые надеются, что в дальнейшем разработанная микрофлюидная платформа позволит оптимизировать параметры синтеза большого количества различных материалов (в первую очередь, металлов и полупроводников), что позволит значительно повысить возможный выход таких реакций.

Светоизлучающие элементы на основе квантовых точек из-за жесткой связи их размера и оптических свойств предлагают использовать для совершенно различных применений. Одним из возможных вариантов применения является изучение раковых опухолей. Кроме этого, квантовые точки можно использовать для печати с наноразрешением. А не так давно массив таких полупроводниковых наночастиц предложили использовать в качестве прототипа нейронной сети.

Автор: Александр Дубов