吃了这么多年糖醋里脊，没想到它居然还是尖端量子材料 | 科学DIY

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糖醋里脊，糖醋排骨，orange chicken…这些是世界知名的中华料理的名字，它们都有一个共同点，就是用到了糖和醋。

但是在2004年，科学家们发现了这种酸甜的中华料理含有一类神奇的物质，它们不但能够在紫外线下发出荧光，还具有奇特的量子性质。

这类物质，就是碳量子点。

不同量子点在紫外线下的荧光色泽

关键概念

碳量子点

材料和操作

1杯水

蔗糖

醋

小苏打（碳酸氢钠）

方法1

1 把大约0.7-1.5克糖和20毫升左右的醋混合后，放入微波炉里加热1-5分钟。

原理：蔗糖在高温酸性环境中会水解为葡萄糖和果糖，它们是形成碳量子点的关键。

2把溶液从微波炉里拿出来，加入小苏打，一直加到溶液不再冒泡为止。

原理：加入小苏打是为了中和溶液，因为红色碳纳米点只会在强酸中发光，但绿色碳纳米点需要中性或碱性环境。冒泡是因为醋酸和小苏打反应生成了二氧化碳。

3 取一点没有杂质的溶液放到玻璃瓶里，用紫外线（验钞灯）照射溶液，不出意外可以看到绿色的荧光。

这些碳量子点的荧光色是比较容易得到的

方法2

另外一种制造方法，是把糖醋混合液放在90摄氏度左右恒温器上焖煮30分钟，直到溶液变为粘稠的橙色为止。然后放入小苏打中和，并进行紫外线观察。

这种方法（溶剂热处理法）可以得到荧光黄荧光绿的碳量子点

@The Thought Emporium

当然，用上面两种方法加热橙汁也可以产生碳量子点。

原理

量子点（quantum dots）是一种纳米结构，大小为10纳米左右。不过，这种物质具有奇特的化学性质，可以在荧光下发光。

一般来说，量子点的荧光色和粒子的大小有关，大的粒子会发出红色荧光，而小的粒子会发出蓝紫色的荧光。

量子点荧光色和大小的关系

@三星

通常，制造量子点的材料是有毒的硫化镉，而镉制造的量子点的商业应用前景不广，因为许多国家，如欧盟和日本都禁止在消费品中使用镉。

但是碳量子点的出现让量子点的应用场景一下子开阔了起来，而且拓宽了我们对碳这种元素的认识。

碳量子点是2004年才被发现的物质，发现者是南卡罗莱纳大学的一位叫做 Xiaoyou XU 的华裔化学家。

在此之前，一般认为碳单质本身是很难溶于水的。但是由碳单质形成的碳量子点的出现，让人们看到了碳的不同一面。而碳量子点发出的光，也常被称为碳纳米光（carbon nanolight）。

作为一种在紫外线下会发出荧光碳纳米材料，碳量子点非常稳定，具有很好的导电性，而且毒性比较低，对环境友好。最关键的是，它的制备方法可以简单到在家DIY。

本实验里制造碳量子点的第一个方法是微波辐射法（Microware irradiation），第二个方法是溶剂热处理（Hydrothermal/solvothermal treatment）。有化学实验条件的话，加入（有毒性的）二甘醇的效果会更好。

溶剂热处理简单地说就是控温闷煮的方法。在文献中，科学家们曾经用这个方法成功将葡萄糖，柠檬酸，壳聚糖，香蕉汁制成了碳量子点。

用尿素, 丙胺酸和蔗糖制造的碳量子点的荧光色

@wikipedia

此外制造碳纳米点的方法主要还有化学烧蚀（chemical ablation）， 电化学炭化（Electrochemical carbonization），激光烧蚀（Laser ablation）。

量子点

@University illustration / Michael Osadciw

不过呢，关于碳量子点为什么会发光，现在学术界还没有定论。

一种解释是量子限制效应（quantum confinement effects）。量子限制效应指的是，当粒子的大小与电子的物质波波长差不多的时候，电子就会出现量子性质，能级从连续变为离散，能隙变宽。

因为能隙变宽，电子接受紫外线照射后进入激发态再回到基态时释放出的光子就落入了可见光的范围，在人眼看来就是发出荧光了。

能隙和量子点荧光色的关系

@三星

不过，理论的争议不影响碳量子点的应用。

3D打印，太阳能电池可以用上碳量子点。把碳量子点注入生物体内，就可以标示不同器官或者组织。也可以用碳量子点检测环境的pH值等理化特性。

三星也在研发量子点的有机发光二极管电视机显示器，这样显示器的显色范围会扩大，电视画面或许可以媲美专业摄影。

以后的电视机，可能和糖醋排骨有着千丝万缕的联系呢。

2016年，三星公布了一些量子点。

@三星

总之呢，看完碳量子点我们明白，对生活的任何方面都要保持好奇心和细心。每次吃糖醋里脊前都用苏打水泡一泡，再用验钞笔照一下，你说不定迟早会发现...

糖醋里脊里根本没有里脊。

|･ω･｀)