诺贝尔奖授予“量子点”纳米粒子的发明者广达杂志

想象一下纳米晶体如此微小，以至于它的行为就像一个原子。 蒙吉·G·巴文迪, 路易斯·E·布鲁斯 和 阿列克谢·叶基莫夫 因发现一类如此微小的奇迹（现在被称为量子点）并开发出一种精确的合成方法而获得 2023 年诺贝尔化学奖。 诺贝尔化学委员会在颁奖典礼上表示，量子点已经在电子学和生物医学领域发挥着重要作用，例如在药物输送、成像和医学诊断方面，并且在未来有更广阔的应用前景。

量子点，有时被称为人造原子，是由硅和其他半导体材料制成的精确纳米晶体，宽度只有几纳米——尽管它们的大小只有一百到几千个原子，但它们小到足以像单个原子一样表现出量子特性。 。 由于电子可以被捕获在其中的特定能级，因此纳米晶体只能发射特定波长的光。 通过控制粒子的大小，研究人员可以精确编程量子点在受到刺激时会闪烁什么颜色。

今天早上在诺贝尔奖颁奖典礼的舞台上， 约翰·阿奎斯特诺贝尔化学委员会主席展示了一系列五个烧瓶，每个烧瓶都含有发出不同颜色的液体。 这些流体中含有尺寸仅为百万分之几毫米的量子点液体溶液。 奥奎斯特说，在如此微小的尺寸下，“量子力学开始发挥各种作用”。

量子力学预测，如果你把一个电子压缩到一个很小的空间里，电子的波函数就会被压缩，解释道 海纳·林克诺贝尔化学委员会委员、纳米物理学教授。 空间越小，电子的能量就越大，这意味着它可以为光子提供更多的能量。 从本质上讲，量子点的大小决定了它发出的颜色。 最小的颗粒发出蓝色光，而较大的颗粒则发出黄色和红色光。

到了 1970 世纪 1981 年代，物理学家知道量子现象在理论上应该与极小尺寸的粒子相关，就像它们与超薄膜一样，但这一预测似乎无法验证：似乎没有好的方法来制造和处理粒子，除了在其他会掩盖其特性的材料中。 然而，XNUMX 年，在苏联 SI Vavilov 国立光学研究所，Ekimov 改变了这一状况。 在向玻璃中添加铜和氯的化合物时，他发现玻璃的颜色完全取决于所添加颗粒的大小。 他很快意识到量子效应是可能的解释。

1983 年，布鲁斯在贝尔实验室进行了利用光驱动化学反应的实验。 布鲁斯（现就职于哥伦比亚大学）注意到，即使纳米粒子自由漂浮在液体溶液中，纳米粒子的尺寸也会影响其光学特性。 “这引起了很大的兴趣，”林克说。

技术人员并没有忽视这种粒子潜在的光电效用，他们追随了 马克·里德 耶鲁大学将它们称为量子点。 但在接下来的十年里，研究人员努力精确控制这些颗粒的大小和质量。

然而，Åqvist 说，1993 年，Bawendi 发明了一种“巧妙的化学方法”来制造完美的纳米颗粒。 他能够控制晶体形成的确切时刻，然后他能够以受控的方式停止和重新开始进一步的生长。 他的发现使量子点在各种应用中广泛使用。

这些纳米粒子的应用范围从 LED 显示器和太阳能电池到生物化学和医学成像。 “这些成就代表了纳米技术的一个重要里程碑，”Åqvist 说。

什么是量子点？

它们是人造纳米颗粒，非常小，其特性受量子力学控制。 这些特性包括光的发射：它们发射的光的波长仅取决于颗粒的尺寸。 较大粒子中的电子具有较少的能量并发射红光，而较小粒子中的电子具有更多的能量并发射蓝光。

研究人员只需调节量子点的大小就可以精确地确定从量子点中发出的光的颜色。 与使用其他种类的荧光分子相比，这具有巨大的优势，因为每种不同的颜色都需要一种新型的分子。

这种可控性的优势不仅限于量子点的颜色。 通过调整纳米颗粒的尺寸，研究人员还可以调整它们的电学、光学和磁效应，以及物理特性，例如它们的熔点或它们如何影响化学反应。

巴文迪的工作如何使量子点变得实用？

1993 年，巴文迪和他在麻省理工学院的团队开发了一种比以前更精确、质量更高的量子点生产方法。 他们找到了一种通过将化学前体注入极热溶剂中来瞬间生长纳米晶体的方法。 研究人员随后立即通过降低溶剂温度来停止晶体的生长，从而产生无限小的晶体“种子”。 通过缓慢地重新加热溶液，他们可以调节纳米晶体的进一步生长。 他们的方法可重复地产生所需尺寸的晶体，并且适用于不同的系统。

量子点用在什么地方？

如果您曾经在 QLED 电视上观看过节目，您就会看到这些纳米颗粒的作用。 但它们也被用于生物医学成像和照明。 研究人员仍在探索这些纳米粒子在量子计算和通信、柔性电子产品、传感器、高效太阳能电池和太阳能燃料催化方面的其他应用。