为什么量子点获得诺贝尔化学奖而不是物理奖？

2023-10-19 12:50:07 北京爱蛙科技有限公司

量子点的化学诺奖引起科技界的爆燃，这一荣誉的授予不仅是对科学家工作的高度肯定，更为科技界带来无限的潜力和可能。

2023年诺贝尔化学奖得主：

Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov

什么是量子点？

量子点又称半导体纳米晶，是由数百或数千原子组成、尺寸一般小于20纳米的半导体晶体颗粒。就大小而言，量子点与足球的关系就像足球与地球的大小关系一样。

图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

这些纳米粒子非常微小，因而具有独特的性质。对于这些微小组成部分，其实我们并不陌生，从电视和LED灯发出的光，到指导外科医生切除肿瘤组织，帮助生物化学家绘制生物组织图等等。

研究化学的人都知道，元素的性质取决于它拥有的电子数量。然而，当物质小到纳米尺寸时，就会出现量子现象。量子点将电子束缚在小范围，堪称人工原子。2023年将化学诺奖颁发给量子点说明化学与物理、材料、生命科学的密切关系。

诺奖委员会解释，之所以一个与量子有关的研究颁给了化学奖而不是物理学奖，是因为量子点是关于材料合成的技术。合成这些材料用的是化学实验的方法，也更多是被化学家们用于探索量子点在各个领域的应用。

微观世界的迷人色彩

诺贝尔化学委员会主席 Johan Åqvist 表示：

量子点具有许多令人着迷且不寻常的特性，它们根据尺寸大小的不同而具有不同的颜色。

图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

早在千百年前，当人类生产彩色玻璃时就发现，往玻璃中添加金、银、镉等物质，在不同温度下会显现出不同的色彩。到了近代，物理学家发现，添加一种物质就能产生不同颜色的玻璃，决定颜色的是加热温度和冷却方式。

1970年代末，叶基莫夫刚刚博士毕业，在苏联瓦维洛夫国家光学研究所工作。在研究彩色玻璃时，他发现玻璃样品中的纳米颗粒从约2纳米到30纳米不等，且尺寸越小，颜色越靠近蓝色，尺寸越大越接近红色。由于熟悉量子力学，他很快意识到这是与尺寸相关的量子效应，并于1981年发表了相关论文。

1983年，正在美国贝尔实验室工作的路易斯·布鲁斯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。这相当于发现了元素周期表的第三个维度：决定元素性质的，除了电子层数和外层电子数，在纳米尺度上的尺寸也很重要。1993年，巴文迪又彻底改变了量子点的化学生产，产生了近乎完美的粒子，由此让量子点技术逐步应用于人类的生活、生产和娱乐等。

纳米微粒的未来潜力

至今，量子点技术已经在人们的生活中得到更加精细和广泛的应用。例如，常见的液晶电视已经采用了量子点技术，使得电视屏幕越来越大，色彩更加鲜艳，光感度也更强。在科研和生产领域，量子点技术的应用更加广泛和尖端。量子点可用于生物分子标记，如寡核苷酸探针的标记，以及基因芯片或蛋白质芯片的检测。这种光谱编码技术为基因表达研究、高通量筛选试验和临床医学诊断等提供了新的可能性。

图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

未来，量子点技术的应用范围将进一步扩大。通过量子点，人们将能够观察到更多七彩以外的色彩。由于量子点技术本质上是一种高效的光电转化技术，因此量子点有可能成为人类有史以来发现的最优秀的发光材料。研究人员相信，在未来，量子点将为柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信等领域做出巨大贡献。

下篇预告

量子点粒度测量

由于量子点粒度（通常小于30nm）是其光学特性的关键，动态光散射（DLS）成为了表征量子点粒度的可靠方案，因为动态光散射能够对悬浮液中具有代表性的小纳米颗粒（NP）的粒度进行测量。为了避免量子点吸收特性带来的困难，在动态光散射设备中，用780nm近红外（NIR）激光器代替了传统的635nm激光器，使得这种测量能够实现。

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