获得2023年诺奖的“量子点”是什么？有哪些实际应用？
Thierry Gacoin
巴黎综合理工学院物理系和化学系材料科学教授
2023年诺贝尔化学奖得主Aleksey Yekimov、Louis Brus和Moungi Bawendi的发现和合成胶体量子点，引发了对量子点的广泛关注。量子点的独特之处在于其尺寸决定其属性，而这在化学中是罕见的。那么，什么是量子点呢？为什么量子点能发出如此绚丽的色彩？量子点在工业界和学术界的优势是什么？量子点有哪些实际的应用场景，未来又有哪些潜在的应用领域？
2023年，Aleksey Yekimov、Louis Brus、Moungi Bawendi三人因发现胶体量子点而获得诺贝尔化学奖。
胶体量子点是半导体纳米粒子，独特之处在于其属性由尺寸决定。
在发现胶体量子点之前，改变材料性质的唯一办法是改变其组成成分。
胶体量子点的应用范围很广，可用于QLED电视显像、红外相机，也可以用于研究神经元突触之间的信息分子传输。
然而，量子点的工业化生产仍存在技术难关。
未来，胶体量子点的创新应用广泛，在量子计算机、纳米技术等领域能大显身手。
2023年诺贝尔化学奖授予发现和合成了胶体量子点的三位科学家：Aleksey Yekimov, Louis Brus和Moungi Bawendi。
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量子点有什么特别之处？
胶体量子点是半导体纳米粒子（大小约为10-9米，即百万分之一毫米），其属性由大小决定——这在化学中是极罕见的。一般来说，材料的特性与其尺寸无关。但胶体量子点缩小到纳米尺度时，电子特性会显著改变，即发生“量子限制现象”。在发现胶体量子点之前，改变材料性质的唯一办法是改变其组成成分，因此三位科学家的成果意义非凡。
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量子点和“量子限制现象”有什么用途？
可作为“光致发光”的光源。量子点暴露在光线下，则会被激发，随后发射光子，回到基态。量子点的大小，决定了发射的光波波长。曾在巴黎综合理工学院工作过的Philippe Guyot-Sionnest开发的工艺，将这一“光致发光”过程的效能提升到了近100%。
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有转化成实际应用吗？
有。最主要的实际应用是QLED电视：蓝色二极管激发屏幕上的量子点，显示色彩。与传统电视相比，QLED电视色纯度显著提高。
另一个用途是防伪。用量子点标记须认证的物体，之后就可以用光源验真。量子点标记装置很难仿制，但易于操作。此外，如果将能吸收红外光的量子点与传统相机的读取电路结合，即可制造出灵敏度极高的红外相机。目前，法国ST微电子公司等几家企业仍在积极研发该技术。
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听说连科学家们也采用了这项技术？
量子点技术问世后，生物学家们很快便利用起来。用量子点标记毒素等物质，放入细胞培养基中，在光照下量子点会发光，由此可跟踪毒素的轨迹。相比于过去的手段，量子点更适合长时段观察。法国生物物理学家Maxime Dahan由此在生物体外观察到了神经元突触间的分子信息传递。
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量子点对于工业界和学界而言，有什么应用优势？
量子点在两个方面不同于其他材料。首先，只要改变尺寸和化学成分，就能非常精确地调节其光吸收和发射特性。对于电视等发光设备而言，这一特性意味着改变量子点的大小，就能改变其发出的颜色，而且可以覆盖非常宽的波长范围，从400纳米（可见光）到几微米（红外光）。
图片来源：PI France
其次，量子点属于无机物质，能有效保证光信号的稳定。唯一的缺点是量子点存在闪烁效应，但使用更复杂的合成技术有望克服。
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人工合成量子点难度大吗？
QLED电视机的问世，证明了工业化生产量子点切实可行。但是合成工艺并不简单，主要难点在于控制颗粒的大小。纳米级别的尺寸取决于温度，因此工业生产要求在大规模反应器中保持完全均匀的温度。
目前的工业化合成工艺也是Aleksey Yekimov和Louis Brus两位诺奖得主的研究成果。该工艺是纳米晶体化学的一项重大突破，且可用于合成各类其他材料，如氧化铁、钨、钛等。
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能回顾一下量子点的研发历史吗？
研究始于20世纪80年代初：在一次实验中， Yekimov观察到有色玻璃的光谱特性会随着热处理而变化。他灵光一闪，断定玻璃中微小半导体沉淀物的性质与其尺寸有关。其实这是玻璃中很明显的一个现象，肉眼即可见：当在250°C到400°C之间进行热退火时，晶格中的半导体晶体尺寸由小变大，所以玻璃看起来由黄变红。Brus通过量子限制理论，成为了首个解释这一观测现象原理的科学家。
随后，Brus的学生Bawendi发明了一种先进的合成工艺。为了解决玻璃颗粒尺寸难控制的问题， Bawendi提出在溶剂（胶体悬浮液）中生成晶体。他将前体（镉和硒）混合在溶剂中，在高温（250–300°C）下制备硒化镉晶体，从而精准控制晶体的成核和形成，得以掌控量子点的化学性质。这一成果是胶体化学制备晶体的革命性突破。
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将来还会有更广泛的应用领域吗？
新研发层出不穷。化学界在持续改进量子点材料，获得新特性，开发新用途，包括：化学催化、人工光合作用的光催化、用量子点协助组装纳米晶体以形成新功能超晶体等。未来的新型棒状量子点，有望在生物学中找到用途，分析血液等流体的流动特征。物理学家看中了量子点超纯的发光特性，正在探索其在量子计算和量子密码术中的应用。以其无穷的灵活性和活跃性，量子点甚至能充当未来纳米技术的基石。
作者
Anaïs Marechal
Meister Xia