Gibt es bald 3D-Fernseher?

Die aktuellen TV-Geräte bieten Bilder in 2D. Zahlreiche Hersteller haben in der Vergangenheit daran gearbeitet, die Bildqualität deutlich zu verbessern. Einige davon setzen auf die sogenannte QLED-Technologie. Dahinter stecken Quantenpunkte, die aus lichtemittierenden Halbleiter-Nanokristallen bestehen. Sie beeinflussen sowohl die Farbwiedergabe als auch die Effizienz. Forschende am MIT haben sich nun damit beschäftigt, wie sich mit Quantenstäben, den Verwandten von Quantenpunkten, die Polarisation und die Lichtfarbe so steuern lassen, dass auf TV-Geräten 3D-Bilder erzeugt werden können.

Bald gibt es sie: Die virtuelle Realität zum Anfassen

Eine der größten Herausforderungen war es, herauszufinden, wie sich die Quantenstäbe auf der Nanoskala so ausrichten lassen, dass sie alle in die gleiche Richtung zeigen. Denn nur so weisen sie auch gleiche Eigenschaften auf und können mit dem Licht interagieren und dessen Polarisation steuern. Die Lösung: Die Forschenden nutzten ein sogenanntes Gerüst aus gefalteter DNA und ordneten darauf Quantenstäbchen an. Auf diese Art und Weise gelang es ihnen, einer virtuellen Szene Tiefe und Dimensionalität zu verleihen.

Nanostrukturen aus DNA liefern Basis für 3D-Bilder

Der MIT-Professor für Biotechnologie und Hauptautor der aktuellen Studie, Mark Bathe, beschäftigt sich schon seit rund 15 Jahren mit der Entwicklung und Herstellung von Nanostrukturen aus DNA, auch bekannt als DNA-Origami. Der Vorteil: Dieses stabile und programmierbare Molekül eignet sich als Baumaterial für winzige Strukturen und kann deshalb für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden. Ein paar Beispiele: Mit solchen Strukturen lassen sich Arzneimittel verabreichen oder sie können als Biosensoren genutzt werden. Damit immer die passende Struktur vorhanden ist, hat Mark Bathe mit seinem Team spezielle Berechnungsmethoden entwickelt. Mit ihnen ist es möglich, den gewünschten Nanomaßstab für die DNA-Sequenzen zu berechnen, damit sie sich dann in der richtigen Form zusammensetzen lassen.

Darüber hinaus hat das Team auch eine skalierbare Herstellungsmethode entwickelt, mit der Quantenpunkte in die DNA-basierten Materialien eingebaut werden können. Das war auch die Basis für ihren neuen Forschungsansatz. Zuerst versuchten sie, die Quantenstäbchen mittels mechanischer Reibung oder durch ein elektrisches Feld in eine bestimmte Richtung zu lenken. Allerdings erreichten sie damit nicht ihr Ziel. Das lautete: Die Quantenstäbchen müssen mindestens 10 Nanometer voneinander entfernt liegen. Denn in dem Fall behindern sie sich in der Aktivität der Lichtemission nicht gegenseitig. Das gelang den Forschenden am Ende mit einer rautenförmigen DNA-Origami-Struktur.

3D-Bilder dank Bio-Material: DNA-Stränge lassen sich biologisch herstellen

„Die Quantenstäbchen sitzen auf dem Origami in der gleichen Richtung, so dass man nun all diese Quantenstäbchen durch Selbstmontage auf 2D-Oberflächen strukturieren kann, und zwar im Mikrometermaßstab, der für verschiedene Anwendungen wie Mikro-LEDs benötigt wird“, sagt Bathe. „Man kann sie in bestimmte Richtungen bewegen, die kontrollierbar sind, und sie gut voneinander getrennt halten, weil die Origamis gepackt sind und natürlich zusammenpassen, wie Puzzleteile.“ Nun stand noch die Frage im Raum, wie sich die Quantenstäbchen am besten auf dem Origami befestigen ließen. Dafür entwickelten die Forschenden ein Verfahren, bei dem die DNA in eine Mischung mit den Quantenstäbchen emulgiert und dann schnell getrocknet wird. Das Ergebnis: Die DNA-Moleküle bilden eine dichte Schicht auf der Oberfläche der Stäbchen.

Die DNA-Stränge wirken wie eine Art Klettverschluss und lassen die Quantenstäbchen an der DNA-Origami-Vorlage haften. Diese Vorlage bildet einen dünnen Film, der entsteht, indem benachbarte DNA-Vorlagen durch überlappende DNA-Stränge entlang der Kanten miteinander verbunden werden. Da dieses Verfahren nur wenige Minuten dauert, könnte dies nach Ansicht der Forschenden auch der Schlüssel sein für weitere kommerzielle Anwendungen. „DNA ist als Herstellungsmaterial besonders attraktiv, weil es biologisch produziert werden kann, was sowohl skalierbar als auch nachhaltig ist, ganz im Einklang mit der aufstrebenden Bioökonomie in den USA“, erklärt Bathe. Mit dem Ergebnis, wie sich Quantenstäbchen hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Größe, Form und Anordnung kontrollieren lassen, sieht das Forscherteam einen Durchbruch für diverse elektronische Anwendungen.

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