科普問鼎諾獎的「量子點」:炫彩如它,必將照亮人類生活

2023年10月04日23:40:05 科學 1403

交匯點訊 10月4日,2023年諾貝爾化學獎正式頒布。三名科學家蒙吉·巴文迪(Moungi Bawendi)、路易斯·布魯斯(Louis Brus)和阿列克謝·葉基莫夫(Alexei Ekimov)分享獎項,以表彰他們在發現和合成量子點方面所作出的貢獻。量子點是什麼?有什麼用處?記者邀請南京大學化學化工學院王元元教授、南京大學現代工程與應用科學學院鄧正濤教授進行科普。

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量子點是什麼?不同尺寸發出不同顏色的光

量子點(Quantum Dot)又稱為半導體納米晶體,由數百或者數千原子組成的直徑小於20nm(納米,10-9米)的晶體顆粒。最常見的量子點由II - VII族、III - VI族或I - III - VII族元素組成。

「量子點很小,直觀地說,3000-4000個量子點並排排列後的直徑,也就跟我們頭髮絲差不多。」南京大學化學化工學院教授王元元說,但並不是所有的納米顆粒都可以被稱為量子點。量子點的重要特徵之一是具有量子限域效應--當塊體材料的尺寸逐漸減小,其能帶結構由連續能帶變為分立的能級,且帶隙隨著晶體尺寸的變小逐漸增大。又由於量子點的尺寸小於激子的玻爾半徑,從而保證光激發產生的激子能夠實現高效的複合,使得量子點具有獨特的光學性能,其中之一便是不同尺寸的量子點會發出不同顏色的光。

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上個世紀80年代,葉基莫夫和布魯斯,也就是此次獲得諾獎的科學家,分別在蘇聯美國帶領各自的研究小組「背靠背」的成功合成了量子點,其中葉基莫夫是成功地在玻璃質中合成了量子點,而布魯斯在一種膠體溶液時偶然發現了尺寸變化能夠產生顏色變化,從而成為世界上第一位證明在溶液中自由漂浮的晶體顆粒具有尺寸依賴性量子效應的科學家。另一位獲獎者巴文迪是布魯斯的助手,他的貢獻在於徹底改變了合成量子點的方法,使其質量極高—這是它們應用於當今納米技術的重要先決條件。王元元提到,我們也不能忽略在對這個領域做出卓越貢獻的其他科學家,特別是前蘇聯理論物理學家Alexander Efros,他首次利用勢箱中的粒子模型解釋了量子尺寸效應。

正是有賴於這三位獲獎者及廣大量子點領域科研人員的不懈努力,現在人類能夠利用納米世界的一些奇特特性。王元元舉例說,量子點由於其半峰寬窄、熒光量子產率高、顏色和能級精準可調及易於溶液法加工等特色已經成為新一代發光材料,可以用於構建高色域、高分辨和低能耗的量子點光致/電致發光器件。同時,他們在紅外探測和光催化領域也有著廣闊的前景。科學家們相信,在未來它們可以在柔性電子器件、微型感測器、更薄的太陽能電池和加密量子通信等領域做出更大的貢獻。

量子點改變生活:未來真的可以有「五彩斑斕的黑」

2014年全職加入南京大學工作之前,南京大學現代工程與應用科學學院鄧正濤教授曾作為博士後研究員在美國麻省理工學院從事過量子點研究工作兩年,與今年的諾獎得主蒙吉·巴文迪在同在電子學實驗室。「蒙吉·巴文迪教授對量子點領域的貢獻非常大,麻省理工也因他而成為量子點研究的『聖地』。」

鄧正濤介紹,量子點是一種半導體納米晶體材料,尺寸通常在2-20 納米,和傳統發光材料有很大的區別,以優越的光學特性而令人矚目。目前,科研人員已經將量子點材料應用到了電視機屏幕、電腦顯示器、照明燈具等領域,甚至在醫療領域的腫瘤切除手術中也有應用。

量子點優越的光學特性應用到顯示屏中,可以幫助我們的日常生活解決大問題。鄧正濤說,「過往我們通過手機顯示屏或者電視屏幕看到的顏色,可能會出現偏灰或者色差較大的情況,但用上了量子點材料後,顯示屏能真實還原物體本來的顏色,顯示出特別純凈的色彩。」正紅、玫紅、西柚紅……這些原本讓消費者在線購物時頭疼不已的顯示屏色差,將來將「不復存在」。

不僅是對色差的「消滅」,量子點作為目前最好的發光材料,還使顏色深度「糅合」成為可能。「量子點材料發光的重要原理,是幾百到幾千個原子的相互作用,人們可以控制它們的大小和表面性質,從而『調』出更多的色彩。」鄧正濤舉了個例子,「比如傳統發光材料的世界裡,紅色就是紅色,綠色就是綠色,但通過量子點材料,真的可以實現『五彩斑斕的黑』。」

量子點技術對於光學世界的改造,正逐漸改變著我們的生活。記者從南京大學了解到,科研人員利用量子點技術研發的護眼燈具已經投入生產。最近,鄧正濤教授團隊自主研發成功了量子點光學膜。測試結果顯示,採用量子點光學膜後,燈具光譜中的藍光強度明顯降低,青光強度得到提升,光譜連續性明顯改善。該光學膜可以實現在440-460 nm藍光範圍內高效吸收,在470-520 nm青光範圍內高效發射,有效解決目前照明燈具中"藍光溢出"和"青光缺失"這兩大瓶頸問題,並且表現出良好的耐強光輻照、耐水氧和耐高溫穩定性,成本也較為低廉。該團隊已經開始實施教室燈光改造的試點工作。

南大團隊研發近紅外硫化銀量子點,助力高效殺菌材料提升殺菌率

化學生物學領域,量子點同樣在「發光發熱」。這幾年,憑藉良好的生物相容性和便捷的製備方法,高效抗菌材料得到了學界的廣泛關注。目前,在化學合成和生物醫學的應用上,近紅外硫化銀量子點已經取得了一系列重要進展。在生物感測、生物成像和疾病治療診斷等細分領域裡,這種新銳型納米材料顯示出巨大的應用潛力。

然而,鮮有研究探索硫化銀量子點在水體消毒中的應用。同時,製備這種材料通常需要複雜的工藝與昂貴的試劑,這極大限制了相關研究和應用的開展。

南京大學生命科學學院魏煒副教授課題組與化學化工學院趙勁教授課題組,南京大學醫學院附屬鼓樓醫院邱旭升副主任醫師合作,藉助簡易水相合成的方法,利用生物進化的仿生銀結合肽,製備出近紅外硫化銀量子點,並將其作為一種新型光熱納米材料用在抗菌領域中,藉此發展出近紅外硫化銀量子點在環境修復上的新功能近紅外光照 25 分鐘殺菌率達 99.06%。

魏煒副教授告訴記者,結合硫化銀量子點優異的光熱特性和光催化特性,課題組希望可以進一步優化本次技術,拓展其在生物醫學和環境修復等領域的應用。「硫化銀量子點的研究仍處於起步階段,比如針對它在能源轉化、催化和環境等領域的潛在應用的研究依然相對較少。此次探索硫化銀量子點的合成策略以及抗菌應用,也是希望為近紅外材料的合成與應用帶來一定參考。後續,課題組將進一步優化實驗調控,擴展納米材料的應用場景。」

新華日報·交匯點記者 楊頻萍

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