2023年諾貝爾化學獎：量子點讓生活更加絢麗多彩

青衣江

10月4日，瑞典皇家科學院宣布將2023年諾貝爾化學獎授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布魯斯和阿列克謝·葉基莫夫，以表彰他們在“發現合成量子點”上的貢獻。量子點技術讓電視機、電腦、手機屏幕呈現出五彩繽紛的畫面，這三位科學家的發現讓我們的生活變得更加絢麗多彩。

隨大小變色的“人造原子”

量子點是一種納米級別的半導體晶體（納米半導體），直徑通常為2～10納米。當施加電場或光壓時，這些納米半導體會發出特定頻率的光，而且光的頻率會隨著其尺寸的大小而變化。通過調節這種納米半導體的尺寸，便可以控制其所發出的光的顏色。這種納米半導體具有限制電子和電子空穴的特性（屬于量子尺寸效應），自然界中的原子或分子也具有該特性，因而被稱為量子點，也被稱為“人造原子”或“量子點原子”。

量子點通常是由半導體材料構成的，通過簡單地改變它們的大小就可以改變其性質，如較小的會發出藍光，較大的會發出紅光和黃光。除了顏色上的變化，量子點的磁性、電性、熱性和催化性也會隨著它們的大小變化呈現不同的特性。

從古老的玻璃到高科技顯示器

人眼的視網膜上有三種視錐細胞，它們能夠感應紅、綠、藍三種顏色。由于自然界中的許多顏色都可以由紅、綠、藍三種顏色組合形成，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80年代初，葉基莫夫成功地在彩色玻璃中發現了與尺寸相關的量子點，并利用其特性，使它們產生了原本不曾顯現的顏色，實現了人們為身邊的物體“增添”色彩的愿望。

葉基莫夫之所以能獲得成功，是因為他站在了巨人的肩膀上。人類生產彩色玻璃已有幾千年的歷史，玻璃制造者們主要通過添加銀、金和鎘等物質生產各種顏色的玻璃。隨著科技的進步，一些科學家為了用彩色玻璃過濾特定波長的光，也開始對彩色玻璃產生興趣，并參與研究和制造彩色玻璃。科學家們發現，向玻璃中加入同樣的物質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，其中的關鍵控制因素是熔融玻璃的加熱程度和冷卻方式。這些新發現引起了葉基莫夫的注意。根據以往的經驗，如果用鎘紅（一種顏料）畫一幅畫，理應是鎘紅色，除非混合其他顏料才會產生別的顏色。因此，在剛開始研究彩色玻璃時，葉基莫夫認為添加相同的物質卻能產生不同顏色的玻璃并不符合邏輯，所以他決定繼續進行實驗以找到彩色玻璃中隱藏的秘密。

在攻讀博士學位期間，葉基莫夫曾致力于研究半導體。半導體研究是微電子學的重要組成部分，該領域的研究者常用光學方法評估半導體材料的質量。例如，通過用光照射材料并測量吸光度，可以推測材料的物質構成及其晶體結構的有序程度。葉基莫夫便利用研究半導體材料的方法檢查彩色玻璃。在經過多次探索之后，他決定生產并研究用氯化銅著色的玻璃。生產時，需要將玻璃加熱到500～700℃，使玻璃達到熔融狀態，加熱時間最少1小時，最長96小時。在玻璃冷卻并硬化后，葉基莫夫通過X射線檢測發現，玻璃內部形成了微小的氯化銅晶體顆粒，而制造過程會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到30納米。晶體顆粒的尺寸會影響玻璃對光的吸收，晶體顆粒越小，玻璃吸收的藍光越多。根據量子力學相關理論，葉基莫夫意識到，他觀察到了與尺寸相關的量子點現象，并將 “量子點影響玻璃顏色”這一研究成果以論文的形式公開發表。

1983年，在美國貝爾實驗室工作的布魯斯也獨立發現了量子點現象。當時，布魯斯正在研究如何利用太陽能（光能）催化化學反應。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，從而催化化學反應。布魯斯盡可能將這些晶體顆粒制造得很小且放在液體中，目的是讓化學反應的范圍更大。在研究過程中，一個細小的變化引起了布魯斯的注意。他發現，當這些材料擱置一段時間后，硫化鎘晶體顆粒的光學性質發生了變化。布魯斯推測，也許是因為這些晶體顆粒的大小發生了變化，才引起其光學性質的改變。為了驗證這個猜想，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行比較。結果發現，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光更多。

布魯斯的發現驗證了葉基莫夫的研究成果，而且他制造的量子點（硫化鎘晶體顆粒）比葉基莫夫制造的量子點更容易進行技術轉化。這是因為布魯斯發現的量子點能懸浮在溶液中，具有流動性，因而可以將其應用于液晶屏幕等電子顯示器上。不過，當時布魯斯制造的硫化鎘晶體顆粒質量參差不齊，難以控制。要想使溶液中所有晶體顆粒的尺寸大致相同，就必須在制造后進行分類，這是一個全新的、難度很大的生產過程。

1988年，27歲的巴文迪在布魯斯的實驗室開始了博士后研究工作，他的研究目標是改進量子點的生產方法。盡管巴文迪做了許多嘗試，但結果并不理想。1990年，巴文迪前往美國麻省理工學院任教，繼續研究高質量的納米顆粒。1993年，巴文迪將能形成納米晶體的物質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，巴文迪通過快速冷卻和稀釋溶劑來淬滅晶體顆粒的“生長”。為了制造實驗所需的2～10納米的量子點，巴文迪讓溶劑緩慢升溫，從而以更可控的方式繼續讓晶體顆粒生長。通過動態改變溶液的溫度，巴文迪帶領研究團隊成功地生產出了特定尺寸的納米晶體顆粒，而且晶體表面光滑、均勻，為量子點的應用掃清了障礙。

現在，市場上最新款的量子點發光二極管（QLED）電視機和計算機顯示器都是利用量子點技術創建像素的RGB（紅綠藍）顏色，其色彩和亮度都非常驚艷。采用QLED技術的顯示器具有超薄、高色域、柔性、高對比度等特點，可為使用者帶來無與倫比的畫質體驗。目前，在全球范圍內，約8%的電視機屏幕使用了量子點技術。在美國，量子點技術相關產品所帶來的收益在2021年已經達到40億美元。

量子點技術“大有作為”

量子點技術并非只能用于生產電子產品屏幕，在醫療和生物領域，量子點同樣“大有作為”。

雖然量子點非常小，但亮度極高，科學家可以利用量子點進行生物分子標記，這樣可以很容易地追蹤到生物分子在細胞中的位置和活動。例如，用量子點標記寡核苷酸探針，可用于基因或蛋白質的檢測。這種檢測技術有助于研究人員和醫生進行基因表達的研究、高通量篩選實驗以及臨床醫學診斷。此外，量子點還可以幫助研究人員跟蹤藥物在人體內的運動，為研究藥物的動力學和藥效提供了有力手段。由于量子點可以發出不同顏色的熒光，科學家還可以用不同顏色的量子點來標記不同的生物分子，從而進行更復雜的研究。

在光電子學領域，量子點技術也有重要的應用價值。由于量子點具有優異的光電性能，可以應用于光電探測器、光伏電池、激光器等領域。量子點的窄帶隙特性使其在太陽能電池中具有更高的光電轉換效率，將推動太陽能技術的發展。

量子點技術更大的潛在用途可能出現在量子計算領域，因為量子點可以作為量子比特的候選物理系統，用于構建量子計算機。目前，也有研究人員希望利用量子點產生的單個光子來制造光驅動的量子計算機。此外，量子點技術可以用于量子通信，有助于實現更安全、更高效的信息傳輸。

量子點技術本質上是一種高效的光電轉化技術，利用量子點制作的材料有可能是目前已知最優秀的發光材料，它不僅在科技領域有廣泛用途，也在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。在與日俱進的高技術領域，量子點技術就像一顆閃亮的星辰，通過其獨特的性質和潛力，為我們帶來了更加真實、生動、絢麗的影像世界；同時，量子點技術也在助力生物醫學的發展，推動太陽能技術的進步，引領量子計算和通信的未來。我們相信，量子點技術一定會以其獨特的魅力和無限的可能性，為人類的科技進步不斷注入新的活力。

【責任編輯】張小萌