2023年诺贝尔化学奖：量子点让生活更加绚丽多彩

青衣江

10月4日，瑞典皇家科学院宣布将2023年诺贝尔化学奖授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫，以表彰他们在“发现合成量子点”上的贡献。量子点技术让电视机、电脑、手机屏幕呈现出五彩缤纷的画面，这三位科学家的发现让我们的生活变得更加绚丽多彩。

随大小变色的“人造原子”

量子点是一种纳米级别的半导体晶体（纳米半导体），直径通常为2～10纳米。当施加电场或光压时，这些纳米半导体会发出特定频率的光，而且光的频率会随着其尺寸的大小而变化。通过调节这种纳米半导体的尺寸，便可以控制其所发出的光的颜色。這种纳米半导体具有限制电子和电子空穴的特性（属于量子尺寸效应），自然界中的原子或分子也具有该特性，因而被称为量子点，也被称为“人造原子”或“量子点原子”。

量子点通常是由半导体材料构成的，通过简单地改变它们的大小就可以改变其性质，如较小的会发出蓝光，较大的会发出红光和黄光。除了颜色上的变化，量子点的磁性、电性、热性和催化性也会随着它们的大小变化呈现不同的特性。

从古老的玻璃到高科技显示器

人眼的视网膜上有三种视锥细胞，它们能够感应红、绿、蓝三种颜色。由于自然界中的许多颜色都可以由红、绿、蓝三种颜色组合形成，因此人类能够看到丰富多彩的世界。然而，并非所有物体都有丰富的色彩，所以人们常常希望为其“增添”色彩。20世纪80年代初，叶基莫夫成功地在彩色玻璃中发现了与尺寸相关的量子点，并利用其特性，使它们产生了原本不曾显现的颜色，实现了人们为身边的物体“增添”色彩的愿望。

叶基莫夫之所以能获得成功，是因为他站在了巨人的肩膀上。人类生产彩色玻璃已有几千年的历史，玻璃制造者们主要通过添加银、金和镉等物质生产各种颜色的玻璃。随着科技的进步，一些科学家为了用彩色玻璃过滤特定波长的光，也开始对彩色玻璃产生兴趣，并参与研究和制造彩色玻璃。科学家们发现，向玻璃中加入同样的物质却能制造出颜色迥异的玻璃。例如，向玻璃中加入硒化镉和硫化镉的混合物可以使玻璃变成黄色或红色，其中的关键控制因素是熔融玻璃的加热程度和冷却方式。这些新发现引起了叶基莫夫的注意。根据以往的经验，如果用镉红（一种颜料）画一幅画，理应是镉红色，除非混合其他颜料才会产生别的颜色。因此，在刚开始研究彩色玻璃时，叶基莫夫认为添加相同的物质却能产生不同颜色的玻璃并不符合逻辑，所以他决定继续进行实验以找到彩色玻璃中隐藏的秘密。

在攻读博士学位期间，叶基莫夫曾致力于研究半导体。半导体研究是微电子学的重要组成部分，该领域的研究者常用光学方法评估半导体材料的质量。例如，通过用光照射材料并测量吸光度，可以推测材料的物质构成及其晶体结构的有序程度。叶基莫夫便利用研究半导体材料的方法检查彩色玻璃。在经过多次探索之后，他决定生产并研究用氯化铜着色的玻璃。生产时，需要将玻璃加热到500～700℃，使玻璃达到熔融状态，加热时间最少1小时，最长96小时。在玻璃冷却并硬化后，叶基莫夫通过X射线检测发现，玻璃内部形成了微小的氯化铜晶体颗粒，而制造过程会影响这些晶体颗粒的尺寸。在一些玻璃样品中，氯化铜晶体颗粒的直径只有约2纳米，而在另一些玻璃样品中，该晶体颗粒的直径可达到30纳米。晶体颗粒的尺寸会影响玻璃对光的吸收，晶体颗粒越小，玻璃吸收的蓝光越多。根据量子力学相关理论，叶基莫夫意识到，他观察到了与尺寸相关的量子点现象，并将 “量子点影响玻璃颜色”这一研究成果以论文的形式公开发表。

1983年，在美国贝尔实验室工作的布鲁斯也独立发现了量子点现象。当时，布鲁斯正在研究如何利用太阳能（光能）催化化学反应。由于硫化镉可以捕捉光，他便利用硫化镉晶体颗粒吸收光能，从而催化化学反应。布鲁斯尽可能将这些晶体颗粒制造得很小且放在液体中，目的是让化学反应的范围更大。在研究过程中，一个细小的变化引起了布鲁斯的注意。他发现，当这些材料搁置一段时间后，硫化镉晶体颗粒的光学性质发生了变化。布鲁斯推测，也许是因为这些晶体颗粒的大小发生了变化，才引起其光学性质的改变。为了验证这个猜想，布鲁斯研制了直径为4.5纳米的硫化镉晶体颗粒，并将其与直径为12.5纳米的硫化镉晶体颗粒进行比较。结果发现，与直径为12.5纳米的晶体颗粒相比，直径为4.5纳米的晶体颗粒吸收的蓝光更多。

布鲁斯的发现验证了叶基莫夫的研究成果，而且他制造的量子点（硫化镉晶体颗粒）比叶基莫夫制造的量子点更容易进行技术转化。这是因为布鲁斯发现的量子点能悬浮在溶液中，具有流动性，因而可以将其应用于液晶屏幕等电子显示器上。不过，当时布鲁斯制造的硫化镉晶体颗粒质量参差不齐，难以控制。要想使溶液中所有晶体颗粒的尺寸大致相同，就必须在制造后进行分类，这是一个全新的、难度很大的生产过程。

1988年，27岁的巴文迪在布鲁斯的实验室开始了博士后研究工作，他的研究目标是改进量子点的生产方法。尽管巴文迪做了许多尝试，但结果并不理想。1990年，巴文迪前往美国麻省理工学院任教，继续研究高质量的纳米颗粒。1993年，巴文迪将能形成纳米晶体的物质注入精心挑选的加热溶剂中，立即形成了他所期待的纳米晶体颗粒。之后，巴文迪通过快速冷却和稀释溶剂来淬灭晶体颗粒的“生长”。为了制造实验所需的2～10纳米的量子点，巴文迪让溶剂缓慢升温，从而以更可控的方式继续让晶体颗粒生长。通过动态改变溶液的温度，巴文迪带领研究团队成功地生产出了特定尺寸的纳米晶体颗粒，而且晶体表面光滑、均匀，为量子点的应用扫清了障碍。

现在，市场上最新款的量子点发光二极管（QLED）电视机和计算机显示器都是利用量子点技术创建像素的RGB（红绿蓝）颜色，其色彩和亮度都非常惊艳。采用QLED技术的显示器具有超薄、高色域、柔性、高对比度等特点，可为使用者带来无与伦比的画质体验。目前，在全球范围内，约8%的电视机屏幕使用了量子点技术。在美国，量子点技术相关产品所带来的收益在2021年已经达到40亿美元。

量子点技术“大有作为”

量子点技术并非只能用于生产电子产品屏幕，在医疗和生物领域，量子点同样“大有作为”。

虽然量子点非常小，但亮度极高，科学家可以利用量子点进行生物分子标记，这样可以很容易地追踪到生物分子在细胞中的位置和活动。例如，用量子点标记寡核苷酸探针，可用于基因或蛋白质的检测。这种检测技术有助于研究人员和医生进行基因表达的研究、高通量筛选实验以及临床医学诊断。此外，量子点还可以帮助研究人员跟踪药物在人体内的运动，为研究药物的动力学和药效提供了有力手段。由于量子点可以发出不同颜色的荧光，科学家还可以用不同颜色的量子点来标记不同的生物分子，从而进行更复杂的研究。

在光电子学领域，量子点技术也有重要的应用价值。由于量子点具有优异的光电性能，可以应用于光电探测器、光伏电池、激光器等领域。量子点的窄带隙特性使其在太阳能电池中具有更高的光电转换效率，将推动太阳能技术的发展。

量子点技术更大的潜在用途可能出现在量子计算领域，因为量子点可以作为量子比特的候选物理系统，用于构建量子计算机。目前，也有研究人员希望利用量子点产生的单个光子来制造光驱动的量子计算机。此外，量子点技术可以用于量子通信，有助于实现更安全、更高效的信息传输。

量子点技术本質上是一种高效的光电转化技术，利用量子点制作的材料有可能是目前已知最优秀的发光材料，它不仅在科技领域有广泛用途，也在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。在与日俱进的高技术领域，量子点技术就像一颗闪亮的星辰，通过其独特的性质和潜力，为我们带来了更加真实、生动、绚丽的影像世界；同时，量子点技术也在助力生物医学的发展，推动太阳能技术的进步，引领量子计算和通信的未来。我们相信，量子点技术一定会以其独特的魅力和无限的可能性，为人类的科技进步不断注入新的活力。

【责任编辑】张小萌