青衣江

10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布魯斯和阿列克謝·葉基莫夫，以表彰他們?cè)凇鞍l(fā)現(xiàn)合成量子點(diǎn)”上的貢獻(xiàn)。量子點(diǎn)技術(shù)讓電視機(jī)、電腦、手機(jī)屏幕呈現(xiàn)出五彩繽紛的畫面，這三位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)讓我們的生活變得更加絢麗多彩。

隨大小變色的“人造原子”

量子點(diǎn)是一種納米級(jí)別的半導(dǎo)體晶體（納米半導(dǎo)體），直徑通常為2～10納米。當(dāng)施加電場(chǎng)或光壓時(shí)，這些納米半導(dǎo)體會(huì)發(fā)出特定頻率的光，而且光的頻率會(huì)隨著其尺寸的大小而變化。通過(guò)調(diào)節(jié)這種納米半導(dǎo)體的尺寸，便可以控制其所發(fā)出的光的顏色。這種納米半導(dǎo)體具有限制電子和電子空穴的特性（屬于量子尺寸效應(yīng)），自然界中的原子或分子也具有該特性，因而被稱為量子點(diǎn)，也被稱為“人造原子”或“量子點(diǎn)原子”。

量子點(diǎn)通常是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變它們的大小就可以改變其性質(zhì)，如較小的會(huì)發(fā)出藍(lán)光，較大的會(huì)發(fā)出紅光和黃光。除了顏色上的變化，量子點(diǎn)的磁性、電性、熱性和催化性也會(huì)隨著它們的大小變化呈現(xiàn)不同的特性。

從古老的玻璃到高科技顯示器

人眼的視網(wǎng)膜上有三種視錐細(xì)胞，它們能夠感應(yīng)紅、綠、藍(lán)三種顏色。由于自然界中的許多顏色都可以由紅、綠、藍(lán)三種顏色組合形成，因此人類能夠看到豐富多彩的世界。然而，并非所有物體都有豐富的色彩，所以人們常常希望為其“增添”色彩。20世紀(jì)80年代初，葉基莫夫成功地在彩色玻璃中發(fā)現(xiàn)了與尺寸相關(guān)的量子點(diǎn)，并利用其特性，使它們產(chǎn)生了原本不曾顯現(xiàn)的顏色，實(shí)現(xiàn)了人們?yōu)樯磉叺奈矬w“增添”色彩的愿望。

葉基莫夫之所以能獲得成功，是因?yàn)樗驹诹司奕说募绨蛏?。人類生產(chǎn)彩色玻璃已有幾千年的歷史，玻璃制造者們主要通過(guò)添加銀、金和鎘等物質(zhì)生產(chǎn)各種顏色的玻璃。隨著科技的進(jìn)步，一些科學(xué)家為了用彩色玻璃過(guò)濾特定波長(zhǎng)的光，也開(kāi)始對(duì)彩色玻璃產(chǎn)生興趣，并參與研究和制造彩色玻璃?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，向玻璃中加入同樣的物質(zhì)卻能制造出顏色迥異的玻璃。例如，向玻璃中加入硒化鎘和硫化鎘的混合物可以使玻璃變成黃色或紅色，其中的關(guān)鍵控制因素是熔融玻璃的加熱程度和冷卻方式。這些新發(fā)現(xiàn)引起了葉基莫夫的注意。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，如果用鎘紅（一種顏料）畫一幅畫，理應(yīng)是鎘紅色，除非混合其他顏料才會(huì)產(chǎn)生別的顏色。因此，在剛開(kāi)始研究彩色玻璃時(shí)，葉基莫夫認(rèn)為添加相同的物質(zhì)卻能產(chǎn)生不同顏色的玻璃并不符合邏輯，所以他決定繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以找到彩色玻璃中隱藏的秘密。

在攻讀博士學(xué)位期間，葉基莫夫曾致力于研究半導(dǎo)體。半導(dǎo)體研究是微電子學(xué)的重要組成部分，該領(lǐng)域的研究者常用光學(xué)方法評(píng)估半導(dǎo)體材料的質(zhì)量。例如，通過(guò)用光照射材料并測(cè)量吸光度，可以推測(cè)材料的物質(zhì)構(gòu)成及其晶體結(jié)構(gòu)的有序程度。葉基莫夫便利用研究半導(dǎo)體材料的方法檢查彩色玻璃。在經(jīng)過(guò)多次探索之后，他決定生產(chǎn)并研究用氯化銅著色的玻璃。生產(chǎn)時(shí)，需要將玻璃加熱到500～700℃，使玻璃達(dá)到熔融狀態(tài)，加熱時(shí)間最少1小時(shí)，最長(zhǎng)96小時(shí)。在玻璃冷卻并硬化后，葉基莫夫通過(guò)X射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，玻璃內(nèi)部形成了微小的氯化銅晶體顆粒，而制造過(guò)程會(huì)影響這些晶體顆粒的尺寸。在一些玻璃樣品中，氯化銅晶體顆粒的直徑只有約2納米，而在另一些玻璃樣品中，該晶體顆粒的直徑可達(dá)到30納米。晶體顆粒的尺寸會(huì)影響玻璃對(duì)光的吸收，晶體顆粒越小，玻璃吸收的藍(lán)光越多。根據(jù)量子力學(xué)相關(guān)理論，葉基莫夫意識(shí)到，他觀察到了與尺寸相關(guān)的量子點(diǎn)現(xiàn)象，并將 “量子點(diǎn)影響玻璃顏色”這一研究成果以論文的形式公開(kāi)發(fā)表。

1983年，在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的布魯斯也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了量子點(diǎn)現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，布魯斯正在研究如何利用太陽(yáng)能（光能）催化化學(xué)反應(yīng)。由于硫化鎘可以捕捉光，他便利用硫化鎘晶體顆粒吸收光能，從而催化化學(xué)反應(yīng)。布魯斯盡可能將這些晶體顆粒制造得很小且放在液體中，目的是讓化學(xué)反應(yīng)的范圍更大。在研究過(guò)程中，一個(gè)細(xì)小的變化引起了布魯斯的注意。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些材料擱置一段時(shí)間后，硫化鎘晶體顆粒的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。布魯斯推測(cè)，也許是因?yàn)檫@些晶體顆粒的大小發(fā)生了變化，才引起其光學(xué)性質(zhì)的改變。為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，布魯斯研制了直徑為4.5納米的硫化鎘晶體顆粒，并將其與直徑為12.5納米的硫化鎘晶體顆粒進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與直徑為12.5納米的晶體顆粒相比，直徑為4.5納米的晶體顆粒吸收的藍(lán)光更多。

布魯斯的發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了葉基莫夫的研究成果，而且他制造的量子點(diǎn)（硫化鎘晶體顆粒）比葉基莫夫制造的量子點(diǎn)更容易進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化。這是因?yàn)椴剪斔拱l(fā)現(xiàn)的量子點(diǎn)能懸浮在溶液中，具有流動(dòng)性，因而可以將其應(yīng)用于液晶屏幕等電子顯示器上。不過(guò)，當(dāng)時(shí)布魯斯制造的硫化鎘晶體顆粒質(zhì)量參差不齊，難以控制。要想使溶液中所有晶體顆粒的尺寸大致相同，就必須在制造后進(jìn)行分類，這是一個(gè)全新的、難度很大的生產(chǎn)過(guò)程。

1988年，27歲的巴文迪在布魯斯的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了博士后研究工作，他的研究目標(biāo)是改進(jìn)量子點(diǎn)的生產(chǎn)方法。盡管巴文迪做了許多嘗試，但結(jié)果并不理想。1990年，巴文迪前往美國(guó)麻省理工學(xué)院任教，繼續(xù)研究高質(zhì)量的納米顆粒。1993年，巴文迪將能形成納米晶體的物質(zhì)注入精心挑選的加熱溶劑中，立即形成了他所期待的納米晶體顆粒。之后，巴文迪通過(guò)快速冷卻和稀釋溶劑來(lái)淬滅晶體顆粒的“生長(zhǎng)”。為了制造實(shí)驗(yàn)所需的2～10納米的量子點(diǎn)，巴文迪讓溶劑緩慢升溫，從而以更可控的方式繼續(xù)讓晶體顆粒生長(zhǎng)。通過(guò)動(dòng)態(tài)改變?nèi)芤旱臏囟?，巴文迪帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)成功地生產(chǎn)出了特定尺寸的納米晶體顆粒，而且晶體表面光滑、均勻，為量子點(diǎn)的應(yīng)用掃清了障礙。

現(xiàn)在，市場(chǎng)上最新款的量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器都是利用量子點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)建像素的RGB（紅綠藍(lán)）顏色，其色彩和亮度都非常驚艷。采用QLED技術(shù)的顯示器具有超薄、高色域、柔性、高對(duì)比度等特點(diǎn)，可為使用者帶來(lái)無(wú)與倫比的畫質(zhì)體驗(yàn)。目前，在全球范圍內(nèi)，約8%的電視機(jī)屏幕使用了量子點(diǎn)技術(shù)。在美國(guó)，量子點(diǎn)技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品所帶來(lái)的收益在2021年已經(jīng)達(dá)到40億美元。

量子點(diǎn)技術(shù)“大有作為”

量子點(diǎn)技術(shù)并非只能用于生產(chǎn)電子產(chǎn)品屏幕，在醫(yī)療和生物領(lǐng)域，量子點(diǎn)同樣“大有作為”。

雖然量子點(diǎn)非常小，但亮度極高，科學(xué)家可以利用量子點(diǎn)進(jìn)行生物分子標(biāo)記，這樣可以很容易地追蹤到生物分子在細(xì)胞中的位置和活動(dòng)。例如，用量子點(diǎn)標(biāo)記寡核苷酸探針，可用于基因或蛋白質(zhì)的檢測(cè)。這種檢測(cè)技術(shù)有助于研究人員和醫(yī)生進(jìn)行基因表達(dá)的研究、高通量篩選實(shí)驗(yàn)以及臨床醫(yī)學(xué)診斷。此外，量子點(diǎn)還可以幫助研究人員跟蹤藥物在人體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，為研究藥物的動(dòng)力學(xué)和藥效提供了有力手段。由于量子點(diǎn)可以發(fā)出不同顏色的熒光，科學(xué)家還可以用不同顏色的量子點(diǎn)來(lái)標(biāo)記不同的生物分子，從而進(jìn)行更復(fù)雜的研究。

在光電子學(xué)領(lǐng)域，量子點(diǎn)技術(shù)也有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于量子點(diǎn)具有優(yōu)異的光電性能，可以應(yīng)用于光電探測(cè)器、光伏電池、激光器等領(lǐng)域。量子點(diǎn)的窄帶隙特性使其在太陽(yáng)能電池中具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，將推動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展。

量子點(diǎn)技術(shù)更大的潛在用途可能出現(xiàn)在量子計(jì)算領(lǐng)域，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)可以作為量子比特的候選物理系統(tǒng)，用于構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。目前，也有研究人員希望利用量子點(diǎn)產(chǎn)生的單個(gè)光子來(lái)制造光驅(qū)動(dòng)的量子計(jì)算機(jī)。此外，量子點(diǎn)技術(shù)可以用于量子通信，有助于實(shí)現(xiàn)更安全、更高效的信息傳輸。

量子點(diǎn)技術(shù)本質(zhì)上是一種高效的光電轉(zhuǎn)化技術(shù)，利用量子點(diǎn)制作的材料有可能是目前已知最優(yōu)秀的發(fā)光材料，它不僅在科技領(lǐng)域有廣泛用途，也在人們的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。在與日俱進(jìn)的高技術(shù)領(lǐng)域，量子點(diǎn)技術(shù)就像一顆閃亮的星辰，通過(guò)其獨(dú)特的性質(zhì)和潛力，為我們帶來(lái)了更加真實(shí)、生動(dòng)、絢麗的影像世界；同時(shí)，量子點(diǎn)技術(shù)也在助力生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)的進(jìn)步，引領(lǐng)量子計(jì)算和通信的未來(lái)。我們相信，量子點(diǎn)技術(shù)一定會(huì)以其獨(dú)特的魅力和無(wú)限的可能性，為人類的科技進(jìn)步不斷注入新的活力。

【責(zé)任編輯】張小萌