当地时间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(Moungi Bawendi),路易斯·布鲁斯(Louis Brus)和阿列克谢·叶基莫夫(Alexei Ekimov),以表彰他们“对量子点的发现与合成”。
在颁奖时,屏幕前放了好几个颜色不一样但色彩鲜艳的容量瓶,其中存放的就是量子点发光材料。量子点是如此之小,但它们能够照亮计算机显示器和电视屏幕,生物化学家和医生用它们来绘制生物组织图,它们还可以帮助医生精确地切除肿瘤……什么是量子点?为何今年的诺贝尔化学奖花落这三位科学家?这项研究成果在我们的日常生活中有哪些应用?
在现场,瑞典皇家科学院秘书长Hans Ellegren展示了五个装有这种量子点发光材料的容量瓶 图源:中科院物理所直播
什么是量子点?
纳米尺度的“神奇”材料
当材料的大小进入纳米尺度时,会发生独特的变化。
“量子点具有许多迷人而不寻常的特性。”诺贝尔化学奖委员会主席约翰-埃奎斯特(Johan Åqvist)说:“重要的是,量子点根据其大小具有不同的颜色。”
什么是量子点?量子点,又称半导体纳米晶。每一个量子点是由数百至上百万原子组成、尺寸一般在几个到几十纳米的半导体单晶颗粒。“正常的半导体都是一块很大的单晶材料,把一块半导体晶体分成非常多的纳米单晶,就得到了半导体纳米晶。” 浙江大学化学系教授、纳晶科技股份有限公司创始人彭笑刚告诉潮新闻记者,“半导体是它本身的固有材料性质,而纳米晶则是指它的尺度。”
与其他纳米晶材料不同,量子点以半导体晶体为基础。进一步地,由于半导体单晶大小进入纳米尺度、半导体纳米晶体内部拥有优异的周期性,其内部电子在各方向上的运动在纳米晶内几无阻碍但受到边界的局限,导致材料的电子结构发生很大变化,连续的能带结构变成具有原子特性的分立能级结构。通俗讲,每一个半导体纳米晶成为一个独立的量子系统、其光学和光电性质与尺寸密切相关,这种效应被布鲁斯等人命名为量子限域效应,半导体纳米晶由此得名量子点,或者人造原子。
“量子限域效应也叫做量子尺寸效应,即它的性质与尺寸有直接的关系。通过变换纳米单晶的尺寸,它的半导体性质会发生非常大的变化,这导致它跟传统的半导体非常不一样,能够带来一些全新的特性”,彭笑刚向潮新闻记者解释道。
在量子限域效应下,量子点受激发后可以发射荧光。由于量子尺寸效应,量子点的尺寸越大,光子的能量越低,波长就越长,发出来的光越往红光方向变化。反之,量子点的尺寸越小,释放出来的光子波长就越短,发出来的光就越往蓝光方向偏移。
量子点根据其大小具有不同的颜色 图源:瑞典皇家科学院官网
以目前研究最广泛的硒化镉(CdSe)量子点为例,其本体硒化镉为黑色粉末,通常并没有荧光效应;而溶液合成的硒化镉量子点,可以通过尺寸改变,经过过去四十年几代化学家的艰辛努力,实现了由蓝光到红光的多种颜色发光。
此外,量子点具有激发光谱宽且连续分布,而发射光谱窄而对称,颜色可调,光化学稳定性高,荧光寿命可调等优越的荧光特性,很有可能是目前人类发现的最优异的一种发光和光电材料。
为什么是他们?
将量子点从实验室推向应用
贝尔实验室的物理学家在上世纪70年代初就知道,量子限域效应依赖于尺度,并在半导体单晶上外延生成另一种半导体纳米薄膜(称为量子阱)展示了这种效应。
在1980年前后,前苏联科学家阿列克谢·叶基莫夫在光学研究所开展半导体渗杂玻璃研究时首次观察到量子点。他发现,对于掺杂在玻璃中的纳米半导体晶体,在晶体尺寸不同时会导致吸收边的移动,从而导致掺杂玻璃发出颜色不同的光。他证明了纳米颗粒的尺寸大小可以通过量子效应影响材料的性质。
几乎同时,美国贝尔实验室化学家路易斯·布鲁斯证明在溶液中可以合成量子点,并观察了多种量子尺寸效应。他因此是前景最为广阔的溶液量子点(或称为胶体量子点)发现者。
美国MIT的蒙吉·巴文迪是布鲁斯在贝尔实验室的博士后。因为美国政府判定AT&T公司拆分、公司的战略不得不做出调整,贝尔实验室中断了量子点研究,巴文迪离开贝尔实验室、加入MIT任教,将1990年左右布鲁斯实验室发明的最新一代合成方法带到MIT,完善合成方法的同时,分离、制备了第一个能够展示量子点基本性质的样品系列。巴文迪教授因此获得提名。
这三位科学家的突破性工作预示了量子点材料的技术前景。“我觉得这一次诺贝尔奖的颁奖角度是非常独特的,抓住了这个领域的核心和关键。它并不是‘量子点’,而是‘量子点的发现和合成’。”彭笑刚说。
三位科学家获2023年诺贝尔化学奖 图源:瑞典皇家科学院官网
他认为,布鲁斯和叶基莫夫是最开始研究量子点、发现量子点的学者。“布鲁斯是从溶液里做,而叶基莫夫是在玻璃介质里做。他们彼此独立地发现了新型的、在自然界不存在的全新的材料,这是他们的原创性贡献。而巴文迪能够得奖的关键原因,在我看来是因为,他在人类历史上第一次系统性地展示了大家一直所期待的量子点独特基本性质。”
彭笑刚和布鲁斯有着很深的交往,在他的印象中,布鲁斯在2012年来过中国,当时还来杭州进行了私人访问。
“我和布鲁斯熟悉,他是我博士后老板的博士后老板,而且也是我们纳晶科技股份有限公司的科学顾问。我觉得他是一位非常标准的学者,专注于学术研究,对名利等其他方面的东西都不那么关心。”彭笑刚介绍,“在我回国创立纳晶科技的时候,他愿意不收取一分钱报酬免费担任我们的科学顾问,因为他觉得这个事情非常值得去做,也明白新材料产业化落地的艰辛。”
量子点有哪些应用?
在多领域“照亮”人类生活
“金属有机-配位溶剂-高温”的合成路线在量子点研究领域产生了里程碑式意义,展示了量子点独特的基本性质。但是,这一方法使用了高毒性、爆炸性、高活性、昂贵的原料——二甲基镉和有机磷,合成重复性不高、产物性能不稳定,没有大规模产业化推广的潜力。
本世纪初,彭笑刚教授在美国的实验室开始探索量子点的生成机理,试图借此发展具有实用价值的合成路线、并提高量子点的质量。他证明,剧毒爆炸的原料实际上并不是高质量量子点合成的必要条件,发展了目前在全球学术界和产业界普遍采用的绿色高质量量子点合成路线。2009全职回国后,彭笑刚教授进一步开辟了激发态控制合成,得到了性能前所未有的量子点,完成了量子点产业化落地的材料基础。“目前,全世界数以千计的研究量子点的实验室,以及工业界普遍采用我们这些合成方法。但是,虽然前述三位科学家发展的合成方法被这些新合成路线取代,正是他们,用合成化学开创了这个重要的领域。”彭笑刚说。
过去十年里,量子点已经被用于液晶显示的背光源中、显示终端快速地进入千家万户。红、绿、蓝三基色量子点具有优异的色纯度和色准度、被认为是目前能够找到的色彩显示最为优秀的显示材料。“纳晶科技借助其独特的专利与技术优势,在浙江衢州建立了世界上最大的量子点生产基地,联合国内显示龙头企业,使得国内庞大的液晶显示产业在此轮产业升级中处于世界前列。”彭笑刚告诉潮新闻记者。
他介绍,因为量子点是一个单晶的量子系统,所以不管是色准度,还是色纯度,都可以做的很好。“按照最高显示标准的要求,只有量子点可以做到。合成方法的解决促进了发光性质的提升,达到显示要求之后,相关成果很快就可以落地。”
纳晶科技研发的量子点显示的四代产品。采访对象供图
彭笑刚指出,现在量子点显示的终端产品,在全世界大概达到了数百亿的规模。他想,这应该也是诺贝尔奖今年落到量子点领域的一个关键。
在彭笑刚看来,除了显示领域,量子点在照明领域也有非常大的应用市场。“白炽灯的照明电转光的效率大约只有2%,90%多都变成了热能;LED灯的电管效率大概是10%多,也就是说还有相当大部分的电能转换成了热能。”而量子点在照明领域的应用能够大幅提高它的电光转换效率。“从理论上来讲,我们实验室的公开报道已经证明,甚至可以到100%的电光转化效率。”彭笑刚表示。由此可见,这一应用不仅仅环保意义非常之大,如果落地可能成为另一个重大产业突破。
同时,量子点还在生物化学和医学中得到应用,它可以制造生物医药领域的显色剂,指导外科医生跟踪和切除肿瘤,化学家则利用量子点的催化性质来驱动化学反应。但这些应用还需要解决一些关键问题。
诺贝尔化学奖委员会称,量子点合成材料的潜力还远未被完全挖掘,量子点在未来可以为量子计算、柔性电子产品、微小传感器、更薄的太阳能电池,甚至量子加密通信等领域做出贡献--因此,我们才刚刚开始探索这些微小粒子的潜力。
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