量子点让纳米技术充满色彩

采用量子点材料的液晶屏。图片来源：https://www.freepik.com/

如今许多人在家用QLED（量子点发光二极管）电视观看色彩逼真的影片，其中的量子点就是诺贝尔化学奖研究成果。2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院蒙吉·巴文迪、美国哥伦比亚大学路易斯·布鲁斯和美国纳米晶体科技公司的阿列克谢·叶基莫夫，以表彰他们在发现和合成量子点方面所作出的贡献。

什么是量子点

量子点是一类非常小的纳米尺度颗粒，也被称为半导体纳米晶。一个量子点通常只由数千原子组成，如果要形象描述它的“小”，可以想象一个量子点与一个足球的对比，正如足球与地球的对比。

人们在理论上早就知道，在纳米颗粒中会出现与尺寸相关的量子效应，但在过去难以制造出纳米颗粒的时候，很少有人相信相关理论能应用于实践。

20世纪80年代初，阿列克谢·叶基莫夫运用光学方法来检查彩色玻璃。经过实验，他发现不同尺寸的玻璃样品吸收光的情况不同，颗粒越小，吸收的光越蓝。他很快意识到自己观察到了与尺寸相关的量子效应。

1981年，叶基莫夫在苏联的科学期刊上发表了这一成果。这是科学家首次成功发现量子点。当时，路易斯·布鲁斯并不知道这一发现。1983年，他首次在溶液中发现了自由漂浮的粒子具备尺寸依赖性的量子效应。与叶基莫夫一样，他发现硫化镉的颗粒越小吸收的光越蓝。

为什么物质的吸光度偏向蓝色这一发现很重要？因为研究人员可以根据这一发现开发出全新的材料。然而，科研人员当时还无法制造出尺寸大致相同的量子点。这正是蒙吉·巴文迪要解决的问题。1993年，他和研究团队取得了重大突破，制造出了特定尺寸的纳米晶体。这种纳米晶体几乎是完美的，能够产生独特的量子效应。

量子点有什么应用

如今，量子点“照亮”了基于QLED技术的计算机显示器和电视屏幕，一些LED灯也使用了量子点来调节二极管的冷光。这让光线既能像日光一样充满活力，又能使其像暗淡灯泡发出的暖光一样平静。

量子点发出的光可用于生物化学和医学。生物化学家将用量子点与生化分子相连接，以便绘制细胞和器官图谱。医生已开始研究用量子点追踪体内肿瘤组织的潜在效应。化学家利用量子点的催化特性来驱动化学反应。量子点正在将其对人类的利益最大化，而我们才刚刚开始探索它的潜力。

科研人员相信，未来量子点可以为柔性电子产品、微型传感器、更纤薄的太阳能电池，以及加密量子通信作出贡献。

（第一作者系中国科学院自然科学史研究所特别研究助理，第二作者系中国科学院长春应用化学研究所博士）