用量子點(diǎn)營(yíng)造奇幻色彩

近年來(lái)出現(xiàn)了一種QLED電視機(jī)。QLED是量子點(diǎn)發(fā)光二極管的意思，它是一種融合了量子物理學(xué)的先進(jìn)顯示技術(shù)。量子點(diǎn)不僅能夠呈現(xiàn)出更為鮮艷、逼真的色彩，還能夠?qū)崿F(xiàn)更高的對(duì)比度和更深的黑色表現(xiàn)，使得QLED電視機(jī)在畫(huà)質(zhì)上有了質(zhì)的飛躍。量子點(diǎn)的應(yīng)用像是一扇通往未來(lái)的大門，也為太陽(yáng)能電池、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能。

子點(diǎn)是一種微小的納米顆粒，其尺寸僅為幾納米到幾十納米，擁有獨(dú)特的發(fā)光性質(zhì)。來(lái)自俄羅斯的阿列克謝·葉基莫夫、美國(guó)的路易斯·布魯斯和蒙吉·巴文迪三位科學(xué)家，各自在量子點(diǎn)的研究和應(yīng)用上取得了卓越的成就。葉基莫夫和布魯斯分別獨(dú)立地合成了量子點(diǎn)，為QLED技術(shù)的誕生奠定了基礎(chǔ)。巴文迪則更進(jìn)一步，他開(kāi)發(fā)了一種高效、可規(guī)模化的量子點(diǎn)生產(chǎn)方法，使得量子點(diǎn)能夠廣泛應(yīng)用于各種顯示設(shè)備中。這三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，不僅體現(xiàn)在他們的研究成果上，更在于他們推動(dòng)了量子點(diǎn)在科技領(lǐng)域的應(yīng)用，為人類社會(huì)的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。他們因此榮獲2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

什么是量子點(diǎn)

用圓珠筆的筆尖在一張白紙上輕輕一觸，一個(gè)不起眼的小黑點(diǎn)就出現(xiàn)了，它的直徑往往不足1毫米。然而，量子點(diǎn)比紙上這個(gè)小黑點(diǎn)還小得多，通常為2～20納米。一個(gè)量子點(diǎn)與一個(gè)足球的對(duì)比，猶如足球與地球的對(duì)比。量子點(diǎn)如此之小，以至于它的存在仿佛是在挑戰(zhàn)我們對(duì)尺寸的感知。

盡管如此，量子點(diǎn)并非真正的點(diǎn)，它呈球形或類球形，由數(shù)千個(gè)原子構(gòu)成。作為一種半導(dǎo)體納米材料，它被稱為半導(dǎo)體納米晶體。那么，它的名字中為何有“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(diǎn)可以產(chǎn)生量子效應(yīng)，包括尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)等。

這些量子效應(yīng)如同一道神奇的科學(xué)魔法，可以改變量子點(diǎn)的電子狀態(tài)，使它呈現(xiàn)出不同的物理狀態(tài)。當(dāng)量子點(diǎn)受到光或電場(chǎng)的激發(fā)時(shí)，它會(huì)因量子效應(yīng)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(diǎn)就像一個(gè)個(gè)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(lái)說(shuō)，我們看到的金戒指是金黃色的，但如果用黃金來(lái)制造量子點(diǎn)，它們會(huì)因尺寸不同而呈現(xiàn)其他的顏色。比如，有的可能反射出幽幽藍(lán)光，有的則可能散發(fā)十分迷人的紅寶石光芒。想象一下，那是一場(chǎng)多么神奇的視覺(jué)盛宴！

誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了量子點(diǎn)

早在1937年，英國(guó)物理學(xué)家弗勒利希提出了一個(gè)有名的預(yù)言：把物質(zhì)不斷縮小，其光學(xué)特性會(huì)經(jīng)歷翻天覆地的變化。這個(gè)神奇的預(yù)言一經(jīng)提出，就讓一些科學(xué)家如癡如醉，他們決定通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)神奇的預(yù)言。然而，擺在他們面前的難題如同一座難以翻越的大山，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)言，就必須制作出只有百萬(wàn)分之一針尖大小的半導(dǎo)體納米材料，這在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下幾乎是不可能的。

到了1981年，半導(dǎo)體納米材料的研究迎來(lái)了重大突破。葉基莫夫巧妙地利用含有氯化銅的彩色玻璃來(lái)展開(kāi)對(duì)納米材料的研究。他將多片玻璃分別加熱、熔融，并對(duì)不同的玻璃采用了不同的加熱溫度和時(shí)間。玻璃冷卻并硬化后，他利用X射線對(duì)其內(nèi)部進(jìn)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，這些晶體的直徑從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(yīng)晶體”，后來(lái)科學(xué)界認(rèn)識(shí)到這其實(shí)就是最早發(fā)現(xiàn)的量子點(diǎn)。

此外，葉基莫夫還如同探尋寶藏的冒險(xiǎn)家，發(fā)現(xiàn)了一種新型的半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料。這種材料具有令人驚嘆的光學(xué)性能和穩(wěn)定性，如同繁星閃爍在科學(xué)之海中。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)如同助推火箭一般，推動(dòng)了量子點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)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。

從理論走向應(yīng)用

量子點(diǎn)的“種子”由葉基莫夫播下，布魯斯則讓它“開(kāi)花”。1983年，布魯斯制造出尺寸為納米級(jí)的硫化鎘膠體，并將其命名為“膠狀量子點(diǎn)”，這是科學(xué)家首次提出了“量子點(diǎn)”的概念。布魯斯以其敏銳的洞察力，不僅關(guān)注量子點(diǎn)的構(gòu)造，更深入探索了其表面化學(xué)的奧秘，發(fā)現(xiàn)了量子點(diǎn)的穩(wěn)定性和可控性。這些發(fā)現(xiàn)為量子點(diǎn)的應(yīng)用提供了更好的設(shè)計(jì)和優(yōu)化策略。

除了對(duì)量子點(diǎn)合成方法的研究，布魯斯還深入探索了量子點(diǎn)的光學(xué)、電子和磁學(xué)性質(zhì)，為理解量子點(diǎn)的基本物理和化學(xué)性質(zhì)提供了重要依據(jù)。他的研究不僅推動(dòng)了量子點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，也為其他領(lǐng)域如生物醫(yī)學(xué)、光電子學(xué)等提供了新的思路和方法。

布魯斯在接受媒體采訪時(shí)說(shuō)：“科學(xué)家成功的秘訣在于，這個(gè)研究項(xiàng)目不僅是你的工作，也是你的愛(ài)。即便是在不用上班的周六日，你都會(huì)有動(dòng)力去工作，因?yàn)槟阏娴暮芟肴〉眠M(jìn)展?？偟膩?lái)說(shuō)，你不必成為天才，但你必須學(xué)會(huì)堅(jiān)持，并不斷嘗試以及詢問(wèn)他人，不斷地學(xué)習(xí)。”

布魯斯如同園丁一般，精心呵護(hù)量子點(diǎn)這個(gè)新生的“科學(xué)之花”，希望它能夠茁壯成長(zhǎng)。他鼓勵(lì)學(xué)生選擇自己真正熱愛(ài)的學(xué)科，不要因?yàn)閷?lái)的薪水而迫使自己學(xué)習(xí)不喜歡的學(xué)科。他的言傳身教，仿佛細(xì)雨潤(rùn)物無(wú)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(xué)生都成為量子點(diǎn)研究領(lǐng)域的專家。

讓量子點(diǎn)結(jié)出“累累碩果”的則是布魯斯的學(xué)生巴文迪。巴文迪是一位著名化學(xué)家，也是美國(guó)麻省理工學(xué)院的化學(xué)教授。他是膠體量子點(diǎn)研究領(lǐng)域的先驅(qū)之一，對(duì)納米晶體，特別是半導(dǎo)體納米晶體的科學(xué)和應(yīng)用做出了重大的貢獻(xiàn)。巴文迪在布魯斯的思路基礎(chǔ)上，發(fā)展了“金屬有機(jī)—配位溶劑—高溫”量子點(diǎn)合成路線，這一方法能夠制備出尺寸均一、熒光性能優(yōu)異的量子點(diǎn)，為量子點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用提供了可能。

1993年，巴文迪率領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)向量子點(diǎn)技術(shù)難點(diǎn)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(zhǔn)控制溶液的飽和度，從而生成非常微小的晶體，再通過(guò)調(diào)溫，使其形成個(gè)頭勻稱的量子點(diǎn)。這一方法簡(jiǎn)單高效，讓更多科研人員有機(jī)會(huì)探索量子點(diǎn)的特性和潛在應(yīng)用。巴文迪的研究重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)新的納米晶體和納米晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的組成和形態(tài)，以及新的配體，使得納米晶體可以被納入混合有機(jī)/無(wú)機(jī)器件或生物系統(tǒng)中。他的研究成果包括“智能”納米晶體，這些納米晶體可以感知分析物的物理特性和化學(xué)特性，比如濃度和pH值，這對(duì)于跟蹤腫瘤生存的微環(huán)境非常重要。

此外，巴文迪的工作還包括系統(tǒng)地表征尺寸、形態(tài)、電荷和其他表面組成等特性對(duì)納米晶體應(yīng)用的影響。他的研究對(duì)于設(shè)計(jì)基于電量子點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的光發(fā)射器、激光器、光電探測(cè)器和光伏電池等設(shè)備至關(guān)重要。因此，巴文迪的貢獻(xiàn)不僅體現(xiàn)在他的研究成果上，更在于他推動(dòng)了量子點(diǎn)在科技領(lǐng)域的應(yīng)用，為人類社會(huì)的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。

量子點(diǎn)有什么用

三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家的研究各具特色，但殊途同歸的是，他們共同推動(dòng)了量子點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展，將其從實(shí)驗(yàn)室推向?qū)嶋H應(yīng)用，為電子科技的發(fā)展提供了新的思路。他們的成就，正是科學(xué)探索無(wú)盡可能性的最好體現(xiàn)。

在量子點(diǎn)問(wèn)世之初，就有學(xué)者根據(jù)量子點(diǎn)獨(dú)特的光電特性預(yù)測(cè)：它的主要應(yīng)用將集中在電子與光學(xué)領(lǐng)域。大約在2002年前后，量子點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化探索階段，領(lǐng)跑者便是電視產(chǎn)業(yè)。在量子點(diǎn)技術(shù)的加持之下，電視屏幕的色彩變得豐富多彩、栩栩如生。此后，QLED高清電視應(yīng)運(yùn)而生，為用戶帶來(lái)了前所未有的逼真視覺(jué)體驗(yàn)。

除了電視領(lǐng)域，量子點(diǎn)顯示技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品中。未來(lái)，隨著元宇宙、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)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(diǎn)技術(shù)的助力下，將給人們帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)的視覺(jué)體驗(yàn)。

量子點(diǎn)材料不僅在顯示技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，它的光學(xué)特性還為生物化學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域的探索提供了新的思路。未來(lái)，量子點(diǎn)有望在柔性電子產(chǎn)品、微型傳感器、超薄型太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，甚至可能改變加密量子通信的質(zhì)量。

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家在量子點(diǎn)的研究成果亦可圈可點(diǎn)。特別是在量子點(diǎn)合成、量子點(diǎn)發(fā)光二極管、量子點(diǎn)病毒標(biāo)記、鈣鈦礦量子點(diǎn)顯示應(yīng)用等研究方向，中國(guó)科學(xué)家取得了引領(lǐng)性的原創(chuàng)成果。比如，2014年，浙江大學(xué)的彭笑剛教授等人在《自然》（Nature）雜志上報(bào)道了接近理論效率的紅光QLED器件。此后，中國(guó)科學(xué)家在QLED領(lǐng)域持續(xù)努力，持續(xù)提升器件性能。又比如，北京理工大學(xué)的鐘海政教授等人是國(guó)際上最早開(kāi)展鈣鈦礦量子點(diǎn)的一批研究人員，他們分別在鈣鈦礦量子點(diǎn)的光致發(fā)光和電致發(fā)光應(yīng)用方面做出了具有代表性的研究工作。

三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家在量子點(diǎn)技術(shù)方面的成就，是全人類科技進(jìn)步的一部分，他們的發(fā)現(xiàn)將引領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)全新的科技時(shí)代。正如諾貝爾頒獎(jiǎng)詞中所說(shuō)：探索量子點(diǎn)的潛力才剛剛起步，前途充滿光明！在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代里，我們每一個(gè)人都是見(jiàn)證者和參與者。讓我們一起期待著更多的科技突破，一起迎接一個(gè)更美好的未來(lái)！

獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

阿列克謝·葉基莫夫（Alexei Ekimov），俄羅斯物理學(xué)家，1945年2月出生于蘇聯(lián)，1967年畢業(yè)于圣彼得堡國(guó)立大學(xué)，1968年任蘇聯(lián)科學(xué)院艾菲物理技術(shù)研究所研究員，1977年任瓦維洛夫國(guó)立光學(xué)研究所研究員，1999年移居美國(guó)，后任納米晶體技術(shù)公司首席科學(xué)家。

路易斯·布魯斯（Louis Brus），美國(guó)化學(xué)家，1943年8月出生于美國(guó)，1965年獲萊斯大學(xué)學(xué)士學(xué)位，1969年獲哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位，1973年任貝爾實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員，1996年至今任哥倫比亞大學(xué)化學(xué)系教授。

蒙吉·巴文迪（Moungi G.Bawendi），美國(guó)化學(xué)家，1961年3月出生于法國(guó)巴黎，1982年獲哈佛大學(xué)學(xué)士學(xué)位，1988年獲美國(guó)芝加哥大學(xué)博士學(xué)位，1990年進(jìn)入麻省理工學(xué)院任教，1995年任麻省理工學(xué)院副教授，1996年至今任麻省理工學(xué)院教授。