用量子點營造奇幻色彩

楊先碧

如果去電器商場逛逛，我們會發現近年來出現了一種名為QLED的電視機。所謂QLED電視機，即量子點發光二極管液晶電視機。正是這個“量子點”的相關研究，讓3位科學家獲得了2023年諾貝爾化學獎，他們分別是俄羅斯科學家阿列克謝·葉基莫夫、美國科學家路易斯·布魯斯和蒙吉·巴文迪。葉基莫夫和布魯斯各自獨立地合成出量子點，巴文迪則開發了一種被廣泛應用的量子點生產方法。

什么是量子點

在一張白紙之上，用一支圓珠筆的筆尖輕輕一觸，一個不起眼的小黑點就出現了，它的直徑往往不足1毫米。然而，量子點比紙上這個小點還要小得多，通常為2～20納米。如此之小，以至于它的存在仿佛是在挑戰我們對尺寸的感知。一個量子點與一個足球的對比，猶如足球與地球的對比。

其實，量子點并非真正的點，它呈球形或類球形，由數千個原子構成。作為一種半導體納米材料，它被稱為半導體納米晶體。那么，它的名字中為何有“量子”二字呢？這與它的特性有關，就像其他微觀粒子一樣，量子點可以產生量子效應，包括尺寸效應、隧道效應、表面效應等。

這些量子效應如同神奇的科學魔法，可以改變量子點的電子狀態，使它呈現出不同的物理狀態。當量子點受到光或電場的激發時，它會因量子效應而像一顆閃爍的星星一樣，發出特定顏色的光。這些量子點就像一個個小小的燈塔，只要我們掌握了正確的指令，就能讓它們發出各種顏色的光。

舉例來說，我們看到的金戒指是金黃色的，但如果制造一些金的量子點，它們因尺寸不同而呈現其他的顏色，有的可能反射出眩目的幽幽藍光，有的則可能散發十分迷人的紅寶石光芒。想象一下，那將會是一場多么神奇的視覺盛宴！

誰發現了量子點

早在1937年，英國物理學家弗勒利希提出了一個有名的預言：把物質不斷縮小，其光學特性會經歷翻天覆地的變化。這個想法讓一些科學家如癡如醉，他們決定通過實驗來實現這個神奇的預測。然而，擺在他們面前的難題如同一座大山那樣難以翻越，因為要實現這個預測，就必須制作出只有針尖百萬分之一大小的半導體納米材料，這在當時的技術條件下幾乎是不可能的。

直到1981年，半導體納米材料的研究才迎來了重大突破。葉基莫夫巧妙地利用了氯化銅的彩色玻璃，他將多片玻璃加熱熔融，這其中對不同的玻璃采用了不同的加熱溫度和時間。玻璃冷卻并硬化后，他利用X射線對其內部進行檢查。結果表明，玻璃內部形成了微小的氯化銅納米晶體，它們的直徑從2～30納米不等。這些不同大小的納米晶體如同彩虹一般，賦予了玻璃千變萬化的顏色。他將這些晶體命名為“量子尺寸效應晶體”，后來科學界認識到這其實就是最早發現的量子點。

此外，葉基莫夫還如同探尋寶藏的冒險家，發現了一種新型的半導體量子點材料。這種材料具有令人驚嘆的光學性能和穩定性，如同繁星閃爍在科學之海中。這項發現如同助推火箭一般，推動了量子點技術的發展，同時也為高效能源轉換和高分辨率顯示器等領域的創新提供了新的可能性。

量子點的“種子”由葉基莫夫播下，布魯斯則讓它“開花”。1983年，布魯斯制造出大小為納米級的硫化鎘膠體，并將其命名為“膠狀量子點”，這是科學家首次提出了“量子點”的概念。布魯斯以其敏銳的洞察力，不僅關注量子點的構造，更深入探索了其表面化學的奧秘，發現了量子點的穩定性和可控性。

布魯斯如同園丁一般，精心呵護量子點這個新生的“科學之花”，希望它能夠茁壯成長。他鼓勵學生選擇自己真正熱愛的學科，不要因為將來的薪水而迫使自己學習不喜歡的領域。他的言傳身教，仿佛細雨潤物無聲，讓年輕的心靈得以遵循自己的興趣和熱情去探索世界，如今他的不少學生都成為了量子點研究領域的專家。

讓量子點結出“累累碩果”的正是布魯斯的學生巴文迪。1993年，巴文迪率領研究團隊向量子點技術難點發起攻關。他們將能夠形成納米晶體的物質，注入一定溫度的特殊溶劑中，精準控制溶液的飽和度，從而生成非常微小的晶體，再通過調溫，使其形成個頭勻稱的量子點。

巴文迪優化了量子點的化學制備方案，得到了結構近乎完美的粒子。他的這種制備量子點的方法被其他科學家廣泛采用，大大促進了量子點材料研究的發展。他建議如今的學生“保持開放的心態”要有“好奇心”，因為“好奇心是科學新發現的關鍵”。

3位獲獎科學家的研究各具特色，但殊途同歸的是，他們共同推動了量子點技術的發展，將其從實驗室推向實際應用，為電子科技的發展提供了新的思路。他們的成就正是科學探索無盡可能性的最好的體現。

量子點有什么用

量子點嶄新問世之初，就有學者根據量子點獨特的光電特性預測：它的主要應用將集中在電子與光學領域。2002年前后，量子點開始進入產業化探索階段，領跑者便是電視產業。電視屏幕的色彩，經過量子點技術之轉化變得豐富多彩，栩栩如生，為用戶帶來無比真實的色彩體驗。此后，QLED高清電視應運而生，為用戶帶來了前所未有的逼真視覺體驗。

除了電視領域，量子點顯示技術已經廣泛應用在手機、電腦等電子產品中。未來，隨著元宇宙、虛擬現實、增強現實等先進技術的飛速發展和廣泛應用，各類電子設備上大大小小的顯示屏或液晶面板，在量子點技術的助力下，將給人們帶來更優質的視覺體驗。同時，量子點材料在光學等方面的特性，為其他技術插上了飛翔的翅膀，為科學家在生物化學、醫藥等領域的探索提供了明晰的研發路徑。

我們有理由相信，隨著科技的不斷發展和創新，量子點的制備成本將逐漸降低，預期將在更多領域發揮其獨特作用。例如，它將優化柔性電子產品、微型傳感器、超薄型太陽能電池等產品的性能，并大幅提升加密量子通信的質量等。

近年來，中國科學家在量子點合成、量子點發光二極管、量子點病毒標記，以及鈣鈦礦量子點顯示應用等研究方向，都取得了引領性的原創成果。

3位獲獎科學家在量子點技術方面的成就，是全人類科技進步的一部分，他們的發現將引領我們進入一個全新的科技時代。正如諾貝爾頒獎詞中所說：探索量子點的潛力才剛剛起步，前途充滿光明！在這個科技飛速發展的時代里，我們每一個人都是見證者和參與者。讓我們一起期待著更多的科技突破，共同迎接一個更美好的未來！

獲獎者簡介

阿列克謝·葉基莫夫，俄羅斯物理學家，1945年2月出生于蘇聯，1967年畢業于列寧格勒國立大學，1968年任蘇聯科學院艾菲物理技術研究所研究員，1977年任瓦維洛夫國立光學研究所研究員，1999年至今任美國紐約納米晶體技術公司首席科學家。

路易斯·布魯斯，美國化學家，1943年8月出生于美國，1965年獲萊斯大學學士學位，1969年獲哥倫比亞大學博士學位，1973年任貝爾實驗室技術人員，1996年至今任哥倫比亞大學化學系教授。

蒙吉·巴文迪，美國化學家，1961年3月出生于法國，1982年獲哈佛大學學士學位，1988年獲美國芝加哥大學博士學位，1990年進入麻省理工學院任教，1995年任麻省理工學院副教授，1996年至今任麻省理工學院教授。