用量子点营造奇幻色彩

杨先碧

如果去电器商场逛逛，我们会发现近年来出现了一种名为QLED的电视机。所谓QLED电视机，即量子点发光二极管液晶电视机。正是这个“量子点”的相关研究，让3位科学家获得了2023年诺贝尔化学奖，他们分别是俄罗斯科学家阿列克谢·叶基莫夫、美国科学家路易斯·布鲁斯和蒙吉·巴文迪。叶基莫夫和布鲁斯各自独立地合成出量子点，巴文迪则开发了一种被广泛应用的量子点生产方法。

什么是量子点

在一张白纸之上，用一支圆珠笔的笔尖轻轻一触，一个不起眼的小黑点就出现了，它的直径往往不足1毫米。然而，量子点比纸上这个小点还要小得多，通常为2～20纳米。如此之小，以至于它的存在仿佛是在挑战我们对尺寸的感知。一个量子点与一个足球的对比，犹如足球与地球的对比。

其实，量子点并非真正的点，它呈球形或类球形，由数千个原子构成。作为一种半导体纳米材料，它被称为半导体纳米晶体。那么，它的名字中为何有“量子”二字呢？这与它的特性有关，就像其他微观粒子一样，量子点可以产生量子效应，包括尺寸效应、隧道效应、表面效应等。

这些量子效应如同神奇的科学魔法，可以改变量子点的电子状态，使它呈现出不同的物理状态。当量子点受到光或电场的激发时，它会因量子效应而像一颗闪烁的星星一样，发出特定颜色的光。这些量子点就像一个个小小的灯塔，只要我们掌握了正确的指令，就能让它们发出各种颜色的光。

举例来说，我们看到的金戒指是金黄色的，但如果制造一些金的量子点，它们因尺寸不同而呈现其他的颜色，有的可能反射出眩目的幽幽蓝光，有的则可能散发十分迷人的红宝石光芒。想象一下，那将会是一场多么神奇的视觉盛宴！

谁发现了量子点

早在1937年，英国物理学家弗勒利希提出了一个有名的预言：把物质不断缩小，其光学特性会经历翻天覆地的变化。这个想法让一些科学家如痴如醉，他们决定通过实验来实现这个神奇的预测。然而，摆在他们面前的难题如同一座大山那样难以翻越，因为要实现这个预测，就必须制作出只有针尖百万分之一大小的半导体纳米材料，这在当时的技术条件下几乎是不可能的。

直到1981年，半导体纳米材料的研究才迎来了重大突破。叶基莫夫巧妙地利用了氯化铜的彩色玻璃，他将多片玻璃加热熔融，这其中对不同的玻璃采用了不同的加热温度和时间。玻璃冷却并硬化后，他利用X射线对其内部进行检查。结果表明，玻璃内部形成了微小的氯化铜纳米晶体，它们的直径从2～30纳米不等。这些不同大小的纳米晶体如同彩虹一般，赋予了玻璃千变万化的颜色。他将这些晶体命名为“量子尺寸效应晶体”，后来科学界认识到这其实就是最早发现的量子点。

此外，叶基莫夫还如同探寻宝藏的冒险家，发现了一种新型的半导体量子点材料。这种材料具有令人惊叹的光学性能和稳定性，如同繁星闪烁在科学之海中。这项发现如同助推火箭一般，推动了量子点技术的发展，同时也为高效能源转换和高分辨率显示器等领域的创新提供了新的可能性。

量子点的“种子”由叶基莫夫播下，布鲁斯则让它“开花”。1983年，布鲁斯制造出大小为纳米级的硫化镉胶体，并将其命名为“胶状量子点”，这是科学家首次提出了“量子点”的概念。布鲁斯以其敏锐的洞察力，不仅关注量子点的构造，更深入探索了其表面化学的奥秘，发现了量子点的稳定性和可控性。

布鲁斯如同园丁一般，精心呵护量子点这个新生的“科学之花”，希望它能够茁壮成长。他鼓励学生选择自己真正热爱的学科，不要因为将来的薪水而迫使自己学习不喜欢的领域。他的言傳身教，仿佛细雨润物无声，让年轻的心灵得以遵循自己的兴趣和热情去探索世界，如今他的不少学生都成为了量子点研究领域的专家。

让量子点结出“累累硕果”的正是布鲁斯的学生巴文迪。1993年，巴文迪率领研究团队向量子点技术难点发起攻关。他们将能够形成纳米晶体的物质，注入一定温度的特殊溶剂中，精准控制溶液的饱和度，从而生成非常微小的晶体，再通过调温，使其形成个头匀称的量子点。

巴文迪优化了量子点的化学制备方案，得到了结构近乎完美的粒子。他的这种制备量子点的方法被其他科学家广泛采用，大大促进了量子点材料研究的发展。他建议如今的学生“保持开放的心态”要有“好奇心”，因为“好奇心是科学新发现的关键”。

3位获奖科学家的研究各具特色，但殊途同归的是，他们共同推动了量子点技术的发展，将其从实验室推向实际应用，为电子科技的发展提供了新的思路。他们的成就正是科学探索无尽可能性的最好的体现。

量子点有什么用

量子点崭新问世之初，就有学者根据量子点独特的光电特性预测：它的主要应用将集中在电子与光学领域。2002年前后，量子点开始进入产业化探索阶段，领跑者便是电视产业。电视屏幕的色彩，经过量子点技术之转化变得丰富多彩，栩栩如生，为用户带来无比真实的色彩体验。此后，QLED高清电视应运而生，为用户带来了前所未有的逼真视觉体验。

除了电视领域，量子点显示技术已经广泛应用在手机、电脑等电子产品中。未来，随着元宇宙、虚拟现实、增强现实等先进技术的飞速发展和广泛应用，各类电子设备上大大小小的显示屏或液晶面板，在量子点技术的助力下，将给人们带来更优质的视觉体验。同时，量子点材料在光学等方面的特性，为其他技术插上了飞翔的翅膀，为科学家在生物化学、医药等领域的探索提供了明晰的研发路径。

我们有理由相信，随着科技的不断发展和创新，量子点的制备成本将逐渐降低，预期将在更多领域发挥其独特作用。例如，它将优化柔性电子产品、微型传感器、超薄型太阳能电池等产品的性能，并大幅提升加密量子通信的质量等。

近年来，中国科学家在量子点合成、量子点发光二极管、量子点病毒标记，以及钙钛矿量子点显示应用等研究方向，都取得了引领性的原创成果。

3位获奖科学家在量子点技术方面的成就，是全人类科技进步的一部分，他们的发现将引领我们进入一个全新的科技时代。正如诺贝尔颁奖词中所说：探索量子点的潜力才刚刚起步，前途充满光明！在这个科技飞速发展的时代里，我们每一个人都是见证者和参与者。让我们一起期待着更多的科技突破，共同迎接一个更美好的未来！

获奖者简介

阿列克谢·叶基莫夫，俄罗斯物理学家，1945年2月出生于苏联，1967年毕业于列宁格勒国立大学，1968年任苏联科学院艾菲物理技术研究所研究员，1977年任瓦维洛夫国立光学研究所研究员，1999年至今任美国纽约纳米晶体技术公司首席科学家。

路易斯·布鲁斯，美国化学家，1943年8月出生于美国，1965年获莱斯大学学士学位，1969年获哥伦比亚大学博士学位，1973年任贝尔实验室技术人员，1996年至今任哥伦比亚大学化学系教授。

蒙吉·巴文迪，美国化学家，1961年3月出生于法国，1982年获哈佛大学学士学位，1988年获美国芝加哥大学博士学位，1990年进入麻省理工学院任教，1995年任麻省理工学院副教授，1996年至今任麻省理工学院教授。