缤纷量子点：绘制绚丽纳米世界

本文转自：科技日报

缤纷量子点：绘制绚丽纳米世界

——解读2023年诺贝尔化学奖

量子点吸收光后，发出另一种波长的光，其颜色取决于粒子的大小

蒙吉·巴文迪（左）、路易斯·布鲁斯（中）和阿列克谢·叶基莫夫（右）因“量子点的发现与合成”荣获2023年诺贝尔化学奖。

◎本报记者 张梦然

一旦物质的大小达到百万分之一毫米级别，就会产生挑战人类直觉的奇怪现象——量子效应。

假设一场魔法将我们生活中的一切缩小到纳米尺寸，那我们将收获五光十色的世界：小小的金耳环可能会突然发出蓝色的光芒；同样材料的金戒指则会发出红宝石样的光芒；如果我们尝试使用燃气灶煎东西，完全不同的火焰可能会让煎锅熔化；家里的白色墙壁则会不停产生大量活性氧。

上面的异想场景告诉我们，在纳米世界，事物的展现可能怪异而迷人。

凭借获得2023年诺贝尔化学奖的3位先驱的贡献，现在的人们已经能够“操控”纳米世界的一些奇异特性了。然而通向这个绚丽纳米世界的路，却相当艰难。

早在1937年，科学家就预测纳米粒子中可能会出现与尺寸相关的量子效应，无数研究人员为之着迷并努力尝试在现实中展示。但说起来容易做起来难，因为这需要“雕刻”一个比针头小100万倍的结构。在当时，技术水平不可能完成这一任务。

直到20世纪70年代，科学家终于有所突破。他们制造出一层纳米级厚度的涂层，该涂层的光学特性可以随其厚度的改变而变化，这一观察结果似与量子力学的预测吻合。

突破障碍，彩色玻璃带来转折

彩色玻璃有数千年的历史，早期的玻璃制造商就已经会添加银、金和镉等物质，在不同的温度下生产色泽绚丽的玻璃。

在研究光的特性时，彩色玻璃可用来滤掉特定波长的光。物理学家在制造有色玻璃时获得了重要发现：只要一种物质就可以产生多种不同颜色的玻璃，而具体会产生哪种颜色，取决于加热程度和冷却方式。

到了20世纪80年代初，“对玻璃非常感兴趣”的阿列克谢·叶基莫夫终于在有色玻璃中创造出依赖于尺寸的量子效应，其颜色来自氯化铜纳米颗粒，他的研究证明：颗粒尺寸确实会通过量子效应影响玻璃颜色。

这是科学家首次成功地制造出量子点。

出现变化？这是量子效应

几年后，路易斯·布鲁斯成为世界上第一位证明流体中自由漂浮粒子的尺寸也依赖量子效应的科学家。

布鲁斯当时在美国贝尔实验室工作，他的研究需要使用到硫化镉颗粒，这种颗粒可以捕获光，并利用其中的能量来驱动化学反应。

一次，布鲁斯发现了奇怪的事情——他将硫化镉颗粒放在实验台上一段时间后，它们的光学特性发生了明显变化。他意识到，这可能是因为颗粒尺寸变大了。

多番证实后，和叶基莫夫一样，布鲁斯明白他观察到了与尺寸有关的量子效应。他于1983年发表了自己的发现。

无处不在，量子点应用超乎想象

到了1993年，蒙吉·巴文迪彻底改变了量子点的生产方式，制造了近乎完美的粒子，他让纳米晶体的表面光滑且均匀。

正是这种高质量，才赋予量子点实际应用的可能，让后来的人们仅通过改变粒子大小，就可精准确定粒子的发光颜色。

客厅里，电视屏幕显示图像所需的三基色光；书房中，LED灯既能发出日光一样的自然光，又能发出暖色光；实验室里，生物学家用量子点与生化分子相连接，成功绘制细胞和器官图谱；医院中，医生们已开始研究用量子点追踪患者体内肿瘤组织。

“量子点具有许多迷人且不寻常的特性。最重要的是，它们能依尺寸不同而有不同的颜色。”诺贝尔化学委员会主席约翰·克维斯特说。此刻，量子点正在前所未有地为人类服务，未来还将在柔性电子设备、微型传感器、超薄太阳能电池和量子加密通信等领域作出巨大贡献。

（本版图片均来自诺贝尔奖官网）