用量子点营造奇幻色彩
2024-10-07 00:00:00杨先碧
大自然探索 2024年7期
近年来出现了一种QLED电视机。QLED是量子点发光二极管的意思，它是一种融合了量子物理学的先进显示技术。量子点不仅能够呈现出更为鲜艳、逼真的色彩，还能够实现更高的对比度和更深的黑色表现，使得QLED电视机在画质上有了质的飞跃。量子点的应用像是一扇通往未来的大门，也为太阳能电池、生物医学成像等领域的发展提供了新的可能。
子点是一种微小的纳米颗粒，其尺寸仅为几纳米到几十纳米，拥有独特的发光性质。来自俄罗斯的阿列克谢·叶基莫夫、美国的路易斯·布鲁斯和蒙吉·巴文迪三位科学家，各自在量子点的研究和应用上取得了卓越的成就。叶基莫夫和布鲁斯分别独立地合成了量子点，为QLED技术的诞生奠定了基础。巴文迪则更进一步，他开发了一种高效、可规模化的量子点生产方法，使得量子点能够广泛应用于各种显示设备中。这三位科学家的贡献，不仅体现在他们的研究成果上，更在于他们推动了量子点在科技领域的应用，为人类社会的进步做出了巨大的贡献。他们因此荣获2023年诺贝尔化学奖。
什么是量子点
用圆珠笔的笔尖在一张白纸上轻轻一触，一个不起眼的小黑点就出现了，它的直径往往不足1毫米。然而，量子点比纸上这个小黑点还小得多，通常为2～20纳米。一个量子点与一个足球的对比，犹如足球与地球的对比。量子点如此之小，以至于它的存在仿佛是在挑战我们对尺寸的感知。
尽管如此，量子点并非真正的点，它呈球形或类球形，由数千个原子构成。作为一种半导体纳米材料，它被称为半导体纳米晶体。那么，它的名字中为何有“量子”二字呢？这与它的特性有关，就像其他微观粒子一样，量子点可以产生量子效应，包括尺寸效应、隧道效应、表面效应等。
这些量子效应如同一道神奇的科学魔法，可以改变量子点的电子状态，使它呈现出不同的物理状态。当量子点受到光或电场的激发时，它会因量子效应而像一颗闪烁的星星一样，发出特定颜色的光。这些量子点就像一个个小小的灯塔，只要我们掌握了正确的指令，就能让它们发出各种颜色的光。
举例来说，我们看到的金戒指是金黄色的，但如果用黄金来制造量子点，它们会因尺寸不同而呈现其他的颜色。比如，有的可能反射出幽幽蓝光，有的则可能散发十分迷人的红宝石光芒。想象一下，那是一场多么神奇的视觉盛宴！
谁发现了量子点
早在1937年，英国物理学家弗勒利希提出了一个有名的预言：把物质不断缩小，其光学特性会经历翻天覆地的变化。这个神奇的预言一经提出，就让一些科学家如痴如醉，他们决定通过实验来实现这个神奇的预言。然而，摆在他们面前的难题如同一座难以翻越的大山，因为要实现这个预言，就必须制作出只有百万分之一针尖大小的半导体纳米材料，这在当时的技术条件下几乎是不可能的。
到了1981年，半导体纳米材料的研究迎来了重大突破。叶基莫夫巧妙地利用含有氯化铜的彩色玻璃来展开对纳米材料的研究。他将多片玻璃分别加热、熔融，并对不同的玻璃采用了不同的加热温度和时间。玻璃冷却并硬化后，他利用X射线对其内部进行检查。结果表明，玻璃内部形成了微小的氯化铜纳米晶体，这些晶体的直径从2纳米到30纳米不等。这些不同尺寸的纳米晶体如同彩虹一般，赋予了玻璃千变万化的颜色。他将这些晶体命名为“量子尺寸效应晶体”，后来科学界认识到这其实就是最早发现的量子点。
此外，叶基莫夫还如同探寻宝藏的冒险家，发现了一种新型的半导体量子点材料。这种材料具有令人惊叹的光学性能和稳定性，如同繁星闪烁在科学之海中。这项发现如同助推火箭一般，推动了量子点技术的发展，同时也为高效能源转换和高分辨率显示器等领域的创新提供了新的可能性。
从理论走向应用
量子点的“种子”由叶基莫夫播下，布鲁斯则让它“开花”。1983年，布鲁斯制造出尺寸为纳米级的硫化镉胶体，并将其命名为“胶状量子点”，这是科学家首次提出了“量子点”的概念。布鲁斯以其敏锐的洞察力，不仅关注量子点的构造，更深入探索了其表面化学的奥秘，发现了量子点的稳定性和可控性。这些发现为量子点的应用提供了更好的设计和优化策略。
除了对量子点合成方法的研究，布鲁斯还深入探索了量子点的光学、电子和磁学性质，为理解量子点的基本物理和化学性质提供了重要依据。他的研究不仅推动了量子点领域的发展，也为其他领域如生物医学、光电子学等提供了新的思路和方法。
布鲁斯在接受媒体采访时说：“科学家成功的秘诀在于，这个研究项目不仅是你的工作，也是你的爱。即便是在不用上班的周六日，你都会有动力去工作，因为你真的很想取得进展。总的来说，你不必成为天才，但你必须学会坚持，并不断尝试以及询问他人，不断地学习。”
布鲁斯如同园丁一般，精心呵护量子点这个新生的“科学之花”，希望它能够茁壮成长。他鼓励学生选择自己真正热爱的学科，不要因为将来的薪水而迫使自己学习不喜欢的学科。他的言传身教，仿佛细雨润物无声，让年轻的心灵得以遵循自己的兴趣和热情去探索世界。如今，他的不少学生都成为量子点研究领域的专家。
让量子点结出“累累硕果”的则是布鲁斯的学生巴文迪。巴文迪是一位著名化学家，也是美国麻省理工学院的化学教授。他是胶体量子点研究领域的先驱之一，对纳米晶体，特别是半导体纳米晶体的科学和应用做出了重大的贡献。巴文迪在布鲁斯的思路基础上，发展了“金属有机—配位溶剂—高温”量子点合成路线，这一方法能够制备出尺寸均一、荧光性能优异的量子点，为量子点的实际应用提供了可能。
1993年，巴文迪率领研究团队向量子点技术难点发起攻关，他们将能够形成纳米晶体的物质，注入一定温度的特殊溶剂中，精准控制溶液的饱和度，从而生成非常微小的晶体，再通过调温，使其形成个头匀称的量子点。这一方法简单高效，让更多科研人员有机会探索量子点的特性和潜在应用。巴文迪的研究重点是开发新的纳米晶体和纳米晶体异质结构的组成和形态，以及新的配体，使得纳米晶体可以被纳入混合有机/无机器件或生物系统中。他的研究成果包括“智能”纳米晶体，这些纳米晶体可以感知分析物的物理特性和化学特性，比如浓度和pH值，这对于跟踪肿瘤生存的微环境非常重要。
此外，巴文迪的工作还包括系统地表征尺寸、形态、电荷和其他表面组成等特性对纳米晶体应用的影响。他的研究对于设计基于电量子点驱动的光发射器、激光器、光电探测器和光伏电池等设备至关重要。因此，巴文迪的贡献不仅体现在他的研究成果上，更在于他推动了量子点在科技领域的应用，为人类社会的进步做出了巨大的贡献。
量子点有什么用
三位获奖科学家的研究各具特色，但殊途同归的是，他们共同推动了量子点技术的发展，将其从实验室推向实际应用，为电子科技的发展提供了新的思路。他们的成就，正是科学探索无尽可能性的最好体现。
在量子点问世之初，就有学者根据量子点独特的光电特性预测：它的主要应用将集中在电子与光学领域。大约在2002年前后，量子点开始进入产业化探索阶段，领跑者便是电视产业。在量子点技术的加持之下，电视屏幕的色彩变得丰富多彩、栩栩如生。此后，QLED高清电视应运而生，为用户带来了前所未有的逼真视觉体验。
除了电视领域，量子点显示技术已经广泛应用在手机、电脑等电子产品中。未来，随着元宇宙、虚拟现实、增强现实等先进技术的飞速发展和广泛应用，各类电子设备上大大小小的显示屏或液晶面板，在量子点技术的助力下，将给人们带来更优质的视觉体验。
量子点材料不仅在显示技术中有着广泛的应用，它的光学特性还为生物化学、医药等领域的探索提供了新的思路。未来，量子点有望在柔性电子产品、微型传感器、超薄型太阳能电池等领域发挥更大的作用，甚至可能改变加密量子通信的质量。
近年来，中国科学家在量子点的研究成果亦可圈可点。特别是在量子点合成、量子点发光二极管、量子点病毒标记、钙钛矿量子点显示应用等研究方向，中国科学家取得了引领性的原创成果。比如，2014年，浙江大学的彭笑刚教授等人在《自然》（Nature）杂志上报道了接近理论效率的红光QLED器件。此后，中国科学家在QLED领域持续努力，持续提升器件性能。又比如，北京理工大学的钟海政教授等人是国际上最早开展钙钛矿量子点的一批研究人员，他们分别在钙钛矿量子点的光致发光和电致发光应用方面做出了具有代表性的研究工作。
三位获奖科学家在量子点技术方面的成就，是全人类科技进步的一部分，他们的发现将引领我们进入一个全新的科技时代。正如诺贝尔颁奖词中所说：探索量子点的潜力才刚刚起步，前途充满光明！在这个科技飞速发展的时代里，我们每一个人都是见证者和参与者。让我们一起期待着更多的科技突破，一起迎接一个更美好的未来！
获奖者简介
阿列克谢·叶基莫夫（Alexei Ekimov），俄罗斯物理学家，1945年2月出生于苏联，1967年毕业于圣彼得堡国立大学，1968年任苏联科学院艾菲物理技术研究所研究员，1977年任瓦维洛夫国立光学研究所研究员，1999年移居美国，后任纳米晶体技术公司首席科学家。
路易斯·布鲁斯（Louis Brus），美国化学家，1943年8月出生于美国，1965年获莱斯大学学士学位，1969年获哥伦比亚大学博士学位，1973年任贝尔实验室技术人员，1996年至今任哥伦比亚大学化学系教授。
蒙吉·巴文迪（Moungi G.Bawendi），美国化学家，1961年3月出生于法国巴黎，1982年获哈佛大学学士学位，1988年获美国芝加哥大学博士学位，1990年进入麻省理工学院任教，1995年任麻省理工学院副教授，1996年至今任麻省理工学院教授。
