聽說過量子點電視嗎？由于量子點的色彩表現(xiàn)能力，其有著非同一般的畫質(zhì)體驗。

10月4日，因“發(fā)現(xiàn)和合成量子點”，來自美國麻省理工學(xué)院的蒙吉·巴文迪、美國哥倫比亞大學(xué)的路易斯·布魯斯和俄羅斯物理學(xué)家阿列克謝·伊基莫夫被授予2023年諾貝爾化學(xué)獎。

究竟什么是量子點？量子點的色彩表現(xiàn)能力是怎么被發(fā)現(xiàn)的？除了量子點電視，它還有什么應(yīng)用前景？

【迷人而不同尋常的特性】

一般而言，元素的性質(zhì)取決于它有多少電子。然而，當(dāng)半導(dǎo)體收縮到納米尺寸時，會出現(xiàn)一個奇特的現(xiàn)象：尺寸越小，能帶寬度變大，出現(xiàn)“藍(lán)移”，即發(fā)光越來越藍(lán)；尺寸越大，能帶寬度變小，出現(xiàn)“紅移”，即發(fā)光越來越紅。這種奇特現(xiàn)象也被稱為“量子尺寸效應(yīng)”。

量子點是一種半導(dǎo)體納米顆粒，其尺寸非常小，從幾納米到十幾納米，硒化鎘、磷化銦等是常見的量子點材料。由于量子尺寸效應(yīng)，不同尺寸的硒化鎘納米顆粒，光的顏色會不一樣。  

諾貝爾化學(xué)委員會主席約翰·奧奎斯特說：“量子點有許多迷人而不同尋常的特性。重要的是，它們根據(jù)大小有不同的顏色?！?/p>

【代表作被引用次數(shù)接近一萬次】

諾貝爾化學(xué)獎經(jīng)常被戲稱為“諾貝爾理綜獎”，今年的獲獎工作在復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授董安鋼看來，可謂“非常化學(xué)”，“阿列克謝·伊基莫夫和路易斯·布魯斯相互獨(dú)立地創(chuàng)造了量子點，蒙吉·巴文迪合成了量子點，而合成是化學(xué)最顯著的特征?！?/p>

20世紀(jì)80年代初，阿列克謝·伊基莫夫一直在研究摻雜了玻璃的氯化銅，他發(fā)現(xiàn)氯化銅的尺寸與玻璃發(fā)光的顏色密切相關(guān)，并提出利用量子尺寸效應(yīng)來解釋這個現(xiàn)象。

幾年后，路易斯·布魯斯首次證明了溶液中的半導(dǎo)體納米顆粒同樣具有量子尺寸效應(yīng)。

1993年，蒙吉·巴文迪革新了量子點的化學(xué)合成路線，合成了單分散、尺寸均勻的量子點納米顆粒，為后續(xù)量子點的物理、化學(xué)性質(zhì)研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

三位獲獎?wù)咧?，路易斯·布魯斯算是最資深的科學(xué)家，他是另一位獲獎?wù)呙杉ぐ臀牡系膶?dǎo)師。蒙吉·巴文迪和他的博士生克里斯托弗·莫雷的代表作，1993年發(fā)表在業(yè)界知名的《美國化學(xué)會志》上，至今被引用的次數(shù)已接近一萬次。“說起來，克里斯托弗·莫雷是我在賓夕法尼亞大學(xué)做博士后的導(dǎo)師?！倍蹭撜f。

【屏幕畫質(zhì)更好看、更養(yǎng)眼】

量子點是近四十年來為數(shù)不多實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的納米材料之一，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

量子點最突出的應(yīng)用就是新一代顯示屏——QLED，Q是量子點首字母縮寫。“由于不同尺寸大小組成的量子點受激發(fā)后會呈現(xiàn)出不同的顏色，能覆蓋可見光區(qū)域，因此可作為新一代顯示發(fā)光材料?！?strong>上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院鉍科學(xué)研究中心副教授李鈺皓解釋，如此呈現(xiàn)出來的彩色更純、更豐富，因此視覺感受更接近人眼看到的，屏幕畫質(zhì)變得“更好看、更養(yǎng)眼”。

董安鋼介紹，浙江大學(xué)彭笑剛教授在國內(nèi)量子點基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域堪稱“翹楚”，他革新了量子點綠色合成工藝，創(chuàng)辦的納晶科技已在新三板上市。  

2013年索尼推出全球首款量子點電視，但至今量子點電視尚未“飛入尋常百姓家”?！斑@主要是材料的成本問題，如果能夠降低成本，相信會有更廣泛的應(yīng)用。”董安鋼說。

除了量子點電視，它還有什么應(yīng)用前景？

太陽能電池中使用量子點材料，可以提高光電轉(zhuǎn)換效率。上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院特聘教授廉孜超介紹，現(xiàn)在的太陽能電池大多使用的是單晶硅材料，而量子點比硅吸收太陽光的范圍更廣，而且對光的吸收能力強(qiáng)，再加上在溶液中合成和后續(xù)處理量子點比較簡易方便，因此量子點在太陽能電池中將有很大的應(yīng)用潛力。

“由于量子點的發(fā)光譜峰更窄，不易發(fā)生串色現(xiàn)象，能同時對細(xì)胞內(nèi)多種特定物質(zhì)進(jìn)行持續(xù)追蹤，可應(yīng)用在腫瘤標(biāo)志物的分析檢測、熒光手術(shù)導(dǎo)航中。”李鈺皓告訴記者，目前這一技術(shù)在我國已進(jìn)行小范圍的臨床使用。

量子點在催化領(lǐng)域也能施展拳腳。李鈺皓教授介紹，比如通過光催化來分解水，產(chǎn)生氫氣；通過光催化，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳、甲烷，量子點在再利用二氧化碳方面有很多優(yōu)勢。

量子點在量子計算機(jī)方面也能應(yīng)用，如用電場約束法來合成量子點，可調(diào)控其量子特性用于制造量子計算機(jī)。目前，上理工鉍科學(xué)研究中心正在研究合成鉍元素的量子點，拓展量子點在生物醫(yī)藥及光電催化等領(lǐng)域的應(yīng)用。

上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院研究員寧志軍表示，上科大的光電轉(zhuǎn)化材料與器件實驗室也在進(jìn)行量子點表面態(tài)和自組裝方面的研究，并將它應(yīng)用到紅外探測器件中。未來，量子點還能應(yīng)用在新興光電器件中，比如紅外探測器、太陽能電池器件等。

來源：上觀新聞 作者：黃海華 李蕾

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