量子点是一种微小的晶体,科学家可以将其调整为不同的颜色,为下一代电视屏幕提供格外生动的流行效果,或者照亮体内的肿瘤,以便外科医生能够找到它们。
周三,三名科学家荣获诺贝尔化学奖,他们将20世纪30年代首次理论化的想法变成了现实,如今在世界各地的客厅中占有一席之地。
这些是什么?
量子点是半导体粒子,宽度只有人类头发的千分之一。
1937年,物理学家赫伯特·弗罗里希(HerbertFroehlich)预测,一旦粒子足够小(即所谓的纳米粒子),它们就会受到量子力学的奇怪魔咒的影响。
为了解释这种量子现象,美国化学会朱迪思·乔丹说“把它想象成一个小盒子”。
她告诉法新社,当粒子缩小到足够小时,电子“就会撞击盒子的侧面”。
在较大的盒子中,电子撞击侧面的次数较少,这意味着它们的能量较少。
对于量子点,较大的盒子发出红光,而较小的盒子则发出蓝色光。
这意味着通过控制粒子的大小,科学家可以使晶体呈现红色、蓝色以及介于两者之间的任何颜色。
伦敦帝国理工学院量子点专家LeahFrenette告诉法新社,使用纳米材料就像“整天观看彩虹”。
但在Froehlich预测40年后,人们才能够真正观察到这一现象。
2023年诺贝尔化学奖获得者的发现。
谁发现了什么?
20世纪80年代初,出生于俄罗斯的物理学家阿列克谢·埃基莫夫(周三的新获奖者之一)熔化了有色玻璃,并对结果进行了X射线分析。
他注意到较小的粒子更蓝,并认识到这是一种量子效应。
但由于是玻璃,这种材料不容易操纵——而且在苏联科学期刊上发表意味着很少有人注意到。
大约在同一时间,在美国,另一位新获奖者路易斯·布鲁斯(LouisBrus)忘记了埃基莫夫的工作,成为第一个在液体溶液中发现这种彩色量子效应的人。
诺贝尔委员会成员约翰·阿奎斯特说:“很长一段时间以来,没有人认为可以真正制造出如此小的颗粒,但今年的获奖者成功了。”
“然而,为了使量子点变得真正有用,你需要能够通过精确控制它们的尺寸和表面来将它们制成溶液。”
第三位新诺贝尔奖获得者、法国出生的蒙吉·巴文迪(MoungiBawendi)于1993年在麻省理工学院的实验室中找到了实现这一目标的方法。
通过精确控制称为胶体的液体颗粒混合物的温度,巴文迪能够将纳米晶体生长到他想要的精确尺寸,为大规模生产铺平了道路。
它们有什么用途?
量子点最常见的日常用途可能是“QLED”电视。
法国凝聚态化学研究所所长西里尔·艾莫尼尔(CyrilAymonier)告诉法新社,纳米晶体“提高了屏幕的分辨率,并更长时间地保持颜色质量”。
法国出生的科学家蒙吉·巴文迪(MoungiBawendi)找到了一种方法,可以将纳米晶体生长到他想要的确切尺寸,从而使他能够控制量子点。
医生还利用它们明亮的荧光来突出显示患者体内的器官或肿瘤。
弗雷内特说,她正在研究诊断测试,将这些点用作医学样本中疾病的“小信标”。
一个问题是大多数量子点是用镉(一种有毒重金属)制成的。
艾莫尼尔和弗雷内特都表示,他们正在研究无毒的量子点。
未来用途?
佐丹说,未来,量子点有可能使太阳能电池的效率提高一倍。
她解释说,它们奇怪的量子能力可以产生两倍于现有技术的电子。
“这太神奇了,因为我们正在接近当前太阳能材料的极限,”她补充道。
过去用过吗?
虽然量子点被认为是科学的前沿,但人们可能已经在不知情的情况下使用它们几个世纪了。
科学家表示,早在10世纪,彩色玻璃窗中的红色和黄色就表明,当时的艺术家无意中利用了量子点技术。