用量子點營造奇幻色彩

阿碧

巴文迪在溶液中生成的多彩量子點材料

如果去電器商場逛逛，那么我們就不難發(fā)現(xiàn)近年來出現(xiàn)了一種名為“QLED”的電視機。所謂QLED電視機，即量子點發(fā)光二極管液晶電視機。正是這個“量子點”的相關(guān)研究，讓三位科學家獲得了2023年諾貝爾化學獎，他們分別是阿列克謝·葉基莫夫、路易斯·布魯斯和蒙吉·巴文迪。其中，葉基莫夫和布魯斯各自獨立地合成量子點，巴文迪則開發(fā)了一種被廣泛應用的量子點生產(chǎn)方法。

在一張白紙上，一支圓珠筆的筆尖輕輕一觸，一個不起眼的小黑點就出現(xiàn)了，它的直徑往往不足1毫米。然而，量子點比紙上這個小點還要小得多，通常為2～20納米。如此之小，以至于它的存在仿佛在挑戰(zhàn)我們對尺寸的感知。一個量子點與一個足球的對比，猶如足球與地球之比。

量子點并非真正的點，它呈球形或類球形，由數(shù)千個原子構(gòu)成。作為一種半導體納米材料，它被稱為“半導體納米晶體”。那么，它的稱謂中為何有“量子”二字呢？這與它的特性有關(guān)。就像其他微觀粒子一樣，量子點可以產(chǎn)生量子效應，包括尺寸效應、隧道效應和表面效應等。這些量子效應如同一種神奇的科學魔法，可以改變量子點的電子狀態(tài)，使它呈現(xiàn)出不同的物理狀態(tài)。當量子點受到光或電場的激發(fā)時，它會因量子效應而像一顆閃爍的星星一樣，發(fā)出特定顏色的光。這些量子點就像一座座小小的燈塔，只要我們掌握了正確的指令，就能讓它們發(fā)出各種顏色的光。

舉例來說，我們看到的金戒指是金黃色的。但如果制造一些量子點戒指，它們會因尺寸不同而呈現(xiàn)不同的顏色，有的可能反射出炫目的幽幽藍光，有的則可能散發(fā)十分迷人的紅寶石光芒。想象一下，那將會是一場多么神奇的視覺盛宴！

早在1937年，英國物理學家弗勒利希提出了一個著名的預言：把物質(zhì)不斷縮小，其光學特性會經(jīng)歷翻天覆地的變化。這個想法讓一些科學家如癡如醉，他們決定通過實驗來實現(xiàn)這個神奇的預言。然而，擺在他們面前的難題如同一座大山那樣難以逾越，因為要實現(xiàn)這個預言，就必須制作出只有針尖百萬分之一大小的半導體納米材料，這在當時的技術(shù)條件下幾乎是不可能的。

到了1981年，半導體納米材料的研究才迎來了重大突破。葉基莫夫巧妙地利用添加了氯化銅的彩色玻璃，他將多片玻璃加熱熔融，對不同的玻璃采用了不同的加熱溫度和時間，玻璃冷卻并硬化后，他利用X射線對其內(nèi)部進行檢查，結(jié)果表明，玻璃內(nèi)部形成了微小的氯化銅納米晶體，它們的直徑從2納米到30納米不等。這些不同尺寸的納米晶體如同彩虹一般，賦予了玻璃千變?nèi)f化的顏色。他將這些晶體命名為“量子尺寸效應晶體”，后來科學界認識到，這其實就是最早發(fā)現(xiàn)的量子點。

此外，葉基莫夫還如同探尋寶藏的冒險家，發(fā)現(xiàn)了一種新型的半導體量子點材料。這種材料具有令人驚嘆的光學性能和穩(wěn)定性。這項發(fā)現(xiàn)如同助推火箭一般，推動了量子點技術(shù)的發(fā)展，同時也為高效能源轉(zhuǎn)換和高分辨率顯示器等領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了新的可能性。

量子點的“種子”由葉基莫夫播下，布魯斯則讓它“開花”。1983年，布魯斯制造出尺寸為納米級的硫化鎘膠體，并將其命名為“膠狀量子點”，這是科學家首次提出“量子點”的概念。布魯斯以其敏銳的洞察力，不僅關(guān)注量子點的構(gòu)造，更深入探索其表面化學的奧秘，發(fā)現(xiàn)了量子點的穩(wěn)定性和可控性。

布魯斯如同園丁一般，精心呵護量子點這朵新生的“科學之花”，希望它能夠茁壯成長。他鼓勵學生選擇自己真正熱愛的學科，不要因為將來的薪水而迫使自己學習不喜歡的領(lǐng)域。他的言傳身教，仿佛細雨潤物無聲，讓年輕的心靈得以遵循自己的興趣和熱情去探索世界。如今，他的不少學生都成了量子點研究領(lǐng)域的專家。

可用于制造太陽能電池的量子點半導體材料

使用掃描隧道顯微鏡對雙層石墨烯中的量子點進行可視化

量子點的微觀結(jié)構(gòu)

讓量子點結(jié)出“累累碩果”的正是布魯斯的學生巴文迪。1993年，巴文迪率領(lǐng)研究團隊向量子點技術(shù)難點發(fā)起攻關(guān)，他們將能夠形成納米晶體的物質(zhì)注入一定溫度的特殊溶劑中，精準控制溶液的飽和度，從而生成非常微小的晶體，再通過調(diào)溫，使其形成個頭勻稱的量子點。

布魯斯優(yōu)化了量子點的化學制備方案，得到了擁有近乎完美結(jié)構(gòu)的粒子。他的這種制備量子點的方法被其他科學家廣泛采用，大大促進了量子點材料研究的發(fā)展。

三位科學家的研究各具特色，但殊途同歸，他們共同推動了量子點技術(shù)的發(fā)展，將其從實驗室推向?qū)嶋H應用，為電子科技的發(fā)展提供了新的思路。他們的成就，正是探索科學的無盡可能性的最好體現(xiàn)。

在量子點問世之初，就有學者根據(jù)量子點獨特的光電特性預測：它的主要應用將集中在電子與光學領(lǐng)域。在2002年前后，量子點開始進入產(chǎn)業(yè)化探索階段，領(lǐng)跑者是電視產(chǎn)業(yè)。電視屏幕的色彩，經(jīng)過量子點技術(shù)之轉(zhuǎn)化，變得豐富多彩，為用戶帶來無比真實的色彩體驗。此后，QLED高清電視應運而生，為用戶帶來了前所未有的逼真視覺體驗。

除了電視領(lǐng)域，量子點顯示技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在手機、電腦等電子產(chǎn)品中。未來，隨著元宇宙、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等先進技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應用，各類電子設(shè)備上大大小小的顯示屏或液晶面板，在量子點技術(shù)的助力下，將給人們帶來更優(yōu)質(zhì)的視覺體驗。同時，量子點材料在光學等方面的特性，為其他技術(shù)插上了飛翔的翅膀，為科學家在生物化學、醫(yī)藥等領(lǐng)域的探索提供了明晰的研發(fā)路徑。

我們有理由相信，隨著科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，量子點的制備成本將逐漸降低，將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨特作用。例如，它將優(yōu)化柔性電子產(chǎn)品、微型傳感器、超薄型太陽能電池等產(chǎn)品的性能，并大幅提升加密量子通信的質(zhì)量等。近年來，我國科學家在量子點合成、量子點發(fā)光二極管、量子點病毒標記和鈣鈦礦量子點顯示應用等研究領(lǐng)域取得了引領(lǐng)性的原創(chuàng)成果。

三位獲獎科學家在量子點技術(shù)方面的成就，是全人類科技進步的一部分，他們的發(fā)現(xiàn)將引領(lǐng)我們進入一個全新的科技時代。正如諾貝爾獎頒獎詞中所言：探索量子點的潛力才剛剛起步，前途充滿光明！在這個科技飛速發(fā)展的時代里，我們每一個人都是見證者和參與者。讓我們一起期待更多的科技突破，一起迎接一個更加美好的未來！

1945年2月出生于蘇聯(lián)，1967年畢業(yè)于列寧格勒國立大學，1968年任蘇聯(lián)科學院艾菲物理技術(shù)研究所研究員，1977年任瓦維洛夫國立光學研究所研究員，1999年至今任美國紐約納米晶體技術(shù)公司首席科學家。

1943年8月出生于美國，1965年獲萊斯大學學士學位，1969年獲哥倫比亞大學博士學位， 1973年任貝爾實驗室技術(shù)人員，1996年至今任哥倫比亞大學化學系教授。

1961年3月出生于法國，1982年獲哈佛大學學士學位，1988年獲美國芝加哥大學博士學位，1990年進入麻省理工學院任教，1995年任麻省理工學院副教授，1996年至今任麻省理工學院教授。