2023年諾貝爾化學(xué)獎：量子點讓生活更加絢麗多彩

青衣江

10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2023年諾貝爾化學(xué)獎授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布魯斯和阿列克謝·葉基莫夫，以表彰他們在“發(fā)現(xiàn)合成量子點”上的貢獻。量子點技術(shù)讓電視機、電腦、手機屏幕呈現(xiàn)出五彩繽紛的畫面，這三位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)讓我們的生活變得更加絢麗多彩。

隨大小變色的“人造原子”

量子點是一種納米級別的半導(dǎo)體晶體（納米半導(dǎo)體），直徑通常為2～10納米。當(dāng)施加電場或光壓時，這些納米半導(dǎo)體會發(fā)出特定頻率的光，而且光的頻率會隨著其尺寸的大小而變化。通過調(diào)節(jié)這種納米半導(dǎo)體的尺寸，便可以控制其所發(fā)出的光的顏色。這種納米半導(dǎo)體具有限制電子和電子空穴的特性（屬于量子尺寸效應(yīng)），自然界中的原子或分子也具有該特性，因而被稱為量子點，也被稱為“人造原子”或“量子點原子”。

量子點通常是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，通過簡單地改變它們的大小就可以改變其性質(zhì)，如較小的會發(fā)出藍光，較大的會發(fā)出紅光和黃光。除了顏色上的變化，量子點的磁性、電性、熱性和催化性也會隨著它們的大小變化呈現(xiàn)不同的特性。

從古老的玻璃到高科技顯示器

人眼的視網(wǎng)膜上有三種視錐細胞，它們能夠感應(yīng)紅、綠、藍三種顏色。由于自然界中的許多顏色都可以由紅、綠、藍三種顏色組合形成，因此人類能夠看到豐富多彩的世界。然而，并非所有物體都有豐富的色彩，所以人們常常希望為其“增添”色彩。20世紀(jì)80年代初，葉基莫夫成功地在彩色玻璃中發(fā)現(xiàn)了與尺寸相關(guān)的量子點，并利用其特性，使它們產(chǎn)生了原本不曾顯現(xiàn)的顏色，實現(xiàn)了人們?yōu)樯磉叺奈矬w“增添”色彩的愿望。

葉基莫夫之所以能獲得成功，是因為他站在了巨人的肩膀上。人類生產(chǎn)彩色玻璃已有幾千年的歷史，玻璃制造者們主要通過添加銀、金和鎘等物質(zhì)生產(chǎn)各種顏色的玻璃。隨著科技的進步，一些科學(xué)家為了用彩色玻璃過濾特定波長的光，也開始對彩色玻璃產(chǎn)生興趣，并參與研究和制造彩色玻璃。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，向玻璃中加入同樣的物質(zhì)卻能制造出顏色迥異的玻璃。例如，向玻璃中加入硒化鎘和硫化鎘的混合物可以使玻璃變成黃色或紅色，其中的關(guān)鍵控制因素是熔融玻璃的加熱程度和冷卻方式。這些新發(fā)現(xiàn)引起了葉基莫夫的注意。根據(jù)以往的經(jīng)驗，如果用鎘紅（一種顏料）畫一幅畫，理應(yīng)是鎘紅色，除非混合其他顏料才會產(chǎn)生別的顏色。因此，在剛開始研究彩色玻璃時，葉基莫夫認(rèn)為添加相同的物質(zhì)卻能產(chǎn)生不同顏色的玻璃并不符合邏輯，所以他決定繼續(xù)進行實驗以找到彩色玻璃中隱藏的秘密。

在攻讀博士學(xué)位期間，葉基莫夫曾致力于研究半導(dǎo)體。半導(dǎo)體研究是微電子學(xué)的重要組成部分，該領(lǐng)域的研究者常用光學(xué)方法評估半導(dǎo)體材料的質(zhì)量。例如，通過用光照射材料并測量吸光度，可以推測材料的物質(zhì)構(gòu)成及其晶體結(jié)構(gòu)的有序程度。葉基莫夫便利用研究半導(dǎo)體材料的方法檢查彩色玻璃。在經(jīng)過多次探索之后，他決定生產(chǎn)并研究用氯化銅著色的玻璃。生產(chǎn)時，需要將玻璃加熱到500～700℃，使玻璃達到熔融狀態(tài)，加熱時間最少1小時，最長96小時。在玻璃冷卻并硬化后，葉基莫夫通過X射線檢測發(fā)現(xiàn)，玻璃內(nèi)部形成了微小的氯化銅晶體顆粒，而制造過程會影響這些晶體顆粒的尺寸。在一些玻璃樣品中，氯化銅晶體顆粒的直徑只有約2納米，而在另一些玻璃樣品中，該晶體顆粒的直徑可達到30納米。晶體顆粒的尺寸會影響玻璃對光的吸收，晶體顆粒越小，玻璃吸收的藍光越多。根據(jù)量子力學(xué)相關(guān)理論，葉基莫夫意識到，他觀察到了與尺寸相關(guān)的量子點現(xiàn)象，并將 “量子點影響玻璃顏色”這一研究成果以論文的形式公開發(fā)表。

1983年，在美國貝爾實驗室工作的布魯斯也獨立發(fā)現(xiàn)了量子點現(xiàn)象。當(dāng)時，布魯斯正在研究如何利用太陽能（光能）催化化學(xué)反應(yīng)。由于硫化鎘可以捕捉光，他便利用硫化鎘晶體顆粒吸收光能，從而催化化學(xué)反應(yīng)。布魯斯盡可能將這些晶體顆粒制造得很小且放在液體中，目的是讓化學(xué)反應(yīng)的范圍更大。在研究過程中，一個細小的變化引起了布魯斯的注意。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些材料擱置一段時間后，硫化鎘晶體顆粒的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。布魯斯推測，也許是因為這些晶體顆粒的大小發(fā)生了變化，才引起其光學(xué)性質(zhì)的改變。為了驗證這個猜想，布魯斯研制了直徑為4.5納米的硫化鎘晶體顆粒，并將其與直徑為12.5納米的硫化鎘晶體顆粒進行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與直徑為12.5納米的晶體顆粒相比，直徑為4.5納米的晶體顆粒吸收的藍光更多。

布魯斯的發(fā)現(xiàn)驗證了葉基莫夫的研究成果，而且他制造的量子點（硫化鎘晶體顆粒）比葉基莫夫制造的量子點更容易進行技術(shù)轉(zhuǎn)化。這是因為布魯斯發(fā)現(xiàn)的量子點能懸浮在溶液中，具有流動性，因而可以將其應(yīng)用于液晶屏幕等電子顯示器上。不過，當(dāng)時布魯斯制造的硫化鎘晶體顆粒質(zhì)量參差不齊，難以控制。要想使溶液中所有晶體顆粒的尺寸大致相同，就必須在制造后進行分類，這是一個全新的、難度很大的生產(chǎn)過程。

1988年，27歲的巴文迪在布魯斯的實驗室開始了博士后研究工作，他的研究目標(biāo)是改進量子點的生產(chǎn)方法。盡管巴文迪做了許多嘗試，但結(jié)果并不理想。1990年，巴文迪前往美國麻省理工學(xué)院任教，繼續(xù)研究高質(zhì)量的納米顆粒。1993年，巴文迪將能形成納米晶體的物質(zhì)注入精心挑選的加熱溶劑中，立即形成了他所期待的納米晶體顆粒。之后，巴文迪通過快速冷卻和稀釋溶劑來淬滅晶體顆粒的“生長”。為了制造實驗所需的2～10納米的量子點，巴文迪讓溶劑緩慢升溫，從而以更可控的方式繼續(xù)讓晶體顆粒生長。通過動態(tài)改變?nèi)芤旱臏囟?，巴文迪帶領(lǐng)研究團隊成功地生產(chǎn)出了特定尺寸的納米晶體顆粒，而且晶體表面光滑、均勻，為量子點的應(yīng)用掃清了障礙。

現(xiàn)在，市場上最新款的量子點發(fā)光二極管（QLED）電視機和計算機顯示器都是利用量子點技術(shù)創(chuàng)建像素的RGB（紅綠藍）顏色，其色彩和亮度都非常驚艷。采用QLED技術(shù)的顯示器具有超薄、高色域、柔性、高對比度等特點，可為使用者帶來無與倫比的畫質(zhì)體驗。目前，在全球范圍內(nèi)，約8%的電視機屏幕使用了量子點技術(shù)。在美國，量子點技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品所帶來的收益在2021年已經(jīng)達到40億美元。

量子點技術(shù)“大有作為”

量子點技術(shù)并非只能用于生產(chǎn)電子產(chǎn)品屏幕，在醫(yī)療和生物領(lǐng)域，量子點同樣“大有作為”。

雖然量子點非常小，但亮度極高，科學(xué)家可以利用量子點進行生物分子標(biāo)記，這樣可以很容易地追蹤到生物分子在細胞中的位置和活動。例如，用量子點標(biāo)記寡核苷酸探針，可用于基因或蛋白質(zhì)的檢測。這種檢測技術(shù)有助于研究人員和醫(yī)生進行基因表達的研究、高通量篩選實驗以及臨床醫(yī)學(xué)診斷。此外，量子點還可以幫助研究人員跟蹤藥物在人體內(nèi)的運動，為研究藥物的動力學(xué)和藥效提供了有力手段。由于量子點可以發(fā)出不同顏色的熒光，科學(xué)家還可以用不同顏色的量子點來標(biāo)記不同的生物分子，從而進行更復(fù)雜的研究。

在光電子學(xué)領(lǐng)域，量子點技術(shù)也有重要的應(yīng)用價值。由于量子點具有優(yōu)異的光電性能，可以應(yīng)用于光電探測器、光伏電池、激光器等領(lǐng)域。量子點的窄帶隙特性使其在太陽能電池中具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，將推動太陽能技術(shù)的發(fā)展。

量子點技術(shù)更大的潛在用途可能出現(xiàn)在量子計算領(lǐng)域，因為量子點可以作為量子比特的候選物理系統(tǒng)，用于構(gòu)建量子計算機。目前，也有研究人員希望利用量子點產(chǎn)生的單個光子來制造光驅(qū)動的量子計算機。此外，量子點技術(shù)可以用于量子通信，有助于實現(xiàn)更安全、更高效的信息傳輸。

量子點技術(shù)本質(zhì)上是一種高效的光電轉(zhuǎn)化技術(shù)，利用量子點制作的材料有可能是目前已知最優(yōu)秀的發(fā)光材料，它不僅在科技領(lǐng)域有廣泛用途，也在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。在與日俱進的高技術(shù)領(lǐng)域，量子點技術(shù)就像一顆閃亮的星辰，通過其獨特的性質(zhì)和潛力，為我們帶來了更加真實、生動、絢麗的影像世界；同時，量子點技術(shù)也在助力生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，推動太陽能技術(shù)的進步，引領(lǐng)量子計算和通信的未來。我們相信，量子點技術(shù)一定會以其獨特的魅力和無限的可能性，為人類的科技進步不斷注入新的活力。

【責(zé)任編輯】張小萌