蒙吉·G·巴旺迪 (Moungi G. Bawendi)，路易斯·E·布魯斯(Louis E. Brus) 和阿列克謝·?；?Alexei I. Ekimov)因發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)（quantum dots）而被授予2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

 

2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給量子點(diǎn)的事實(shí)顯示了物理、化學(xué)和材料科學(xué)之間的密切關(guān)系。同時(shí)，化學(xué)領(lǐng)域也與生命科學(xué)息息相關(guān)，這也是為什么化學(xué)獎(jiǎng)有時(shí)會(huì)授予與生命科學(xué)相關(guān)研究的原因。

 

 

什么是量子點(diǎn)？

 

 

量子點(diǎn)是一種納米級(jí)別的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，其尺寸約為幾納米至十幾納米。它由數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)原子組成，呈現(xiàn)出特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)。

 

在量子點(diǎn)中，電子受限于三個(gè)空間方向上的限制，形成了"限制態(tài)"，使得電子的能量呈現(xiàn)離散的能級(jí)。這使得量子點(diǎn)具有許多獨(dú)特的特性，如量子尺寸效應(yīng)、發(fā)光性質(zhì)和電子輸運(yùn)性質(zhì)等。

 

 

 

量子點(diǎn)往往僅由數(shù)千個(gè)原子組成。尺寸上而言，量子點(diǎn)相較于足球，大約就相當(dāng)于足球之于地球。

 

 

量子點(diǎn)合成化學(xué)發(fā)展

 

 

1970年代早期，Alexei I. Ekimov在固態(tài)物理研究中首次觀察到了納米級(jí)別的半導(dǎo)體顆粒，這就是最早的量子點(diǎn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)之一。他使用堿金屬在玻璃基底中生長了CdS納米晶體，并通過光譜技術(shù)證實(shí)了這些納米晶體的量子尺寸效應(yīng)。1980年代，許多研究人員開始對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行深入研究，特別是在半導(dǎo)體領(lǐng)域。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)半導(dǎo)體材料的尺寸縮小到納米級(jí)別時(shí)，材料的光電性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化，如能帶結(jié)構(gòu)、光吸收和發(fā)射等。

 

以Louis E. Brus為代表的科學(xué)家們開創(chuàng)了用溶劑合成量子點(diǎn)的新方法。他們首次報(bào)道使用有機(jī)表面配體包裹納米晶體的策略，從而穩(wěn)定了量子點(diǎn)溶液，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)其光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。隨后的幾年里，Moungi G. Bawendi改進(jìn)了合成量子點(diǎn)的技術(shù)，確保了其高質(zhì)量。這一創(chuàng)新成果為當(dāng)今納米技術(shù)中量子點(diǎn)的應(yīng)用提供了重要的前提條件。

 

由于合成化學(xué)的進(jìn)步，量子點(diǎn)這一材料家族不斷壯大并呈現(xiàn)出更多的可能性。現(xiàn)在已經(jīng)有了各種各樣的方法來調(diào)控量子點(diǎn)的形貌和結(jié)構(gòu)，使得其具備特異性能的功能單元不斷涌現(xiàn)。

 

量子點(diǎn)的應(yīng)用

 

量子點(diǎn)具有許多獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，因此在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，以下是其中幾個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域：

 

顯示技術(shù)：量子點(diǎn)可以作為高效、高色彩飽和度的顯示顏料，替代傳統(tǒng)的熒光體系。尤其適合LED背光源、寬色域電視、超高清顯示等應(yīng)用，具有廣闊市場前景。

光催化：由于量子點(diǎn)具有良好的光穩(wěn)定性、強(qiáng)化學(xué)修飾能力和可控尺寸等優(yōu)良性質(zhì)，因此被廣泛研究和應(yīng)用于催化反應(yīng)、新能源產(chǎn)生和環(huán)境污染處理等領(lǐng)域。

生物醫(yī)學(xué)：量子點(diǎn)的較小粒徑、生物相容性和熒光等性質(zhì)使其成為重要的生物標(biāo)記物和成像劑，例如癌癥診斷、細(xì)胞跟蹤、藥物遞送等領(lǐng)域。

太陽能電池：量子點(diǎn)的帶隙結(jié)構(gòu)與太陽光譜的吸收范圍相匹配，可作為新型太陽能電池體系的發(fā)光層，在提高光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)降低成本、減少環(huán)境污染等方面具有潛在優(yōu)勢。

納米光子學(xué)：量子點(diǎn)具有極小的尺寸和強(qiáng)烈的熒光，因此受到納米光子學(xué)領(lǐng)域的高度關(guān)注，可以被應(yīng)用到基于單光子發(fā)射的信息存儲(chǔ)、傳輸和處理等方面。

 

 

除此之外，還有許多其他領(lǐng)域?qū)τ诹孔狱c(diǎn)也有相關(guān)的應(yīng)用，例如傳感器、安全防偽、生物檢測等領(lǐng)域。可以預(yù)見，隨著對(duì)量子點(diǎn)的進(jìn)一步深入研究，還有很多關(guān)于令人驚嘆的量子現(xiàn)象需要探索，其應(yīng)用領(lǐng)域也將會(huì)不斷拓展。

 

 

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