2023化学诺奖:“量子点”为纳米技术奠定了重要基础
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2023-10-20
蒙吉·G·巴旺迪 (Moungi G. Bawendi)，路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus) 和阿列克谢·埃基莫夫(Alexei I. Ekimov)因发现和合成量子点（quantum dots）而被授予2023年诺贝尔化学奖。
2023年诺贝尔化学奖颁发给量子点的事实显示了物理、化学和材料科学之间的密切关系。同时，化学领域也与生命科学息息相关，这也是为什么化学奖有时会授予与生命科学相关研究的原因。
什么是量子点？
量子点是一种纳米级别的半导体材料结构，其尺寸约为几纳米至十几纳米。它由数十个甚至数百个原子组成，呈现出特殊的物理和化学性质。
在量子点中，电子受限于三个空间方向上的限制，形成了"限制态"，使得电子的能量呈现离散的能级。这使得量子点具有许多独特的特性，如量子尺寸效应、发光性质和电子输运性质等。
量子点往往仅由数千个原子组成。尺寸上而言，量子点相较于足球，大约就相当于足球之于地球。
量子点合成化学发展
1970年代早期，Alexei I. Ekimov在固态物理研究中首次观察到了纳米级别的半导体颗粒，这就是最早的量子点现象的发现之一。他使用碱金属在玻璃基底中生长了CdS纳米晶体，并通过光谱技术证实了这些纳米晶体的量子尺寸效应。1980年代，许多研究人员开始对量子点进行深入研究，特别是在半导体领域。他们发现，当半导体材料的尺寸缩小到纳米级别时，材料的光电性质会发生显著变化，如能带结构、光吸收和发射等。
以Louis E. Brus为代表的科学家们开创了用溶剂合成量子点的新方法。他们首次报道使用有机表面配体包裹纳米晶体的策略，从而稳定了量子点溶液，并实现了对其光学性质的调控。随后的几年里，Moungi G. Bawendi改进了合成量子点的技术，确保了其高质量。这一创新成果为当今纳米技术中量子点的应用提供了重要的前提条件。
由于合成化学的进步，量子点这一材料家族不断壮大并呈现出更多的可能性。现在已经有了各种各样的方法来调控量子点的形貌和结构，使得其具备特异性能的功能单元不断涌现。
量子点的应用
量子点具有许多独特的物理和化学性质，因此在各个领域都有广泛的应用，以下是其中几个主要的应用领域：
显示技术：量子点可以作为高效、高色彩饱和度的显示颜料，替代传统的荧光体系。尤其适合LED背光源、宽色域电视、超高清显示等应用，具有广阔市场前景。
光催化：由于量子点具有良好的光稳定性、强化学修饰能力和可控尺寸等优良性质，因此被广泛研究和应用于催化反应、新能源产生和环境污染处理等领域。
生物医学：量子点的较小粒径、生物相容性和荧光等性质使其成为重要的生物标记物和成像剂，例如癌症诊断、细胞跟踪、药物递送等领域。
太阳能电池：量子点的带隙结构与太阳光谱的吸收范围相匹配，可作为新型太阳能电池体系的发光层，在提高光电转换效率的同时降低成本、减少环境污染等方面具有潜在优势。
纳米光子学：量子点具有极小的尺寸和强烈的荧光，因此受到纳米光子学领域的高度关注，可以被应用到基于单光子发射的信息存储、传输和处理等方面。
除此之外，还有许多其他领域对于量子点也有相关的应用，例如传感器、安全防伪、生物检测等领域。可以预见，随着对量子点的进一步深入研究，还有很多关于令人惊叹的量子现象需要探索，其应用领域也将会不断拓展。