用量子點(diǎn)營(yíng)造奇幻色彩

阿碧

巴文迪在溶液中生成的多彩量子點(diǎn)材料

如果去電器商場(chǎng)逛逛，那么我們就不難發(fā)現(xiàn)近年來(lái)出現(xiàn)了一種名為“QLED”的電視機(jī)。所謂QLED電視機(jī)，即量子點(diǎn)發(fā)光二極管液晶電視機(jī)。正是這個(gè)“量子點(diǎn)”的相關(guān)研究，讓三位科學(xué)家獲得了2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，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(dú)立地合成量子點(diǎn)，巴文迪則開(kāi)發(fā)了一種被廣泛應(yīng)用的量子點(diǎn)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(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)小點(diǎn)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(duì)尺寸的感知。一個(gè)量子點(diǎn)與一個(gè)足球的對(duì)比，猶如足球與地球之比。

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(diǎn)可以產(chǎn)生量子效應(yīng)，包括尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)等。這些量子效應(yīng)如同一種神奇的科學(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(lái)說(shuō)，我們看到的金戒指是金黃色的。但如果制造一些量子點(diǎn)戒指，它們會(huì)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(lán)光，有的則可能散發(fā)十分迷人的紅寶石光芒。想象一下，那將會(huì)是一場(chǎng)多么神奇的視覺(jué)盛宴！

早在1937年，英國(guó)物理學(xué)家弗勒利希提出了一個(gè)著名的預(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)想法讓一些科學(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大山那樣難以逾越，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這個(gè)預(yù)言，就必須制作出只有針尖百萬(wàn)分之一大小的半導(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)體納米材料的研究才迎來(lái)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(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，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(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。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。

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“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。

布魯斯如同園丁一般，精心呵護(hù)量子點(diǎn)這朵新生的“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)不喜歡的領(lǐng)域。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)生都成了量子點(diǎn)研究領(lǐng)域的專家。

可用于制造太陽(yáng)能電池的量子點(diǎn)半導(dǎo)體材料

使用掃描隧道顯微鏡對(duì)雙層石墨烯中的量子點(diǎn)進(jìn)行可視化

量子點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)

讓量子點(diǎn)結(jié)出“累累碩果”的正是布魯斯的學(xué)生巴文迪。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)。

布魯斯優(yōu)化了量子點(diǎn)的化學(xué)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(diǎn)的方法被其他科學(xué)家廣泛采用，大大促進(jìn)了量子點(diǎn)材料研究的發(fā)展。

三位科學(xué)家的研究各具特色，但殊途同歸，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，正是探索科學(xué)的無(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。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)跑者是電視產(chǎn)業(yè)。電視屏幕的色彩，經(jīng)過(guò)量子點(diǎn)技術(shù)之轉(zhuǎn)化，變得豐富多彩，為用戶帶來(lái)無(wú)比真實(shí)的色彩體驗(yàn)。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)。同時(shí)，量子點(diǎn)材料在光學(xué)等方面的特性，為其他技術(shù)插上了飛翔的翅膀，為科學(xué)家在生物化學(xué)、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(diǎn)的制備成本將逐漸降低，將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)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(yáng)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(lái)，我國(guó)科學(xué)家在量子點(diǎn)合成、量子點(diǎn)發(fā)光二極管、量子點(diǎn)病毒標(biāo)記和鈣鈦礦量子點(diǎn)顯示應(yīng)用等研究領(lǐng)域取得了引領(lǐng)性的原創(chuàng)成果。

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。正如諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞中所言：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。讓我們一起期待更多的科技突破，一起迎接一個(gè)更加美好的未來(lái)！

1945年2月出生于蘇聯(lián)，1967年畢業(yè)于列寧格勒國(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年至今任美國(guó)紐約納米晶體技術(shù)公司首席科學(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。

1961年3月出生于法國(guó)，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。