量子点电子蜗居，纳米初露锋芒

发布时间：2023-10-12 09:30:26 所属栏目：外闻来源：未知

导读： 　　在物理学上，把量子点看作被电子限定的居住区域，它们生活在一种被称为纳米的微小领域中。

　　一根头发丝直径的5万分之一约是1纳米，大约是氢原子直径的10倍。

　　目前已

　　在物理学上，把量子点看作被电子限定的居住区域，它们生活在一种被称为纳米的微小领域中。

　　一根头发丝直径的5万分之一约是1纳米，大约是氢原子直径的10倍。

　　目前已经被应用到高清显示器和电脑屏幕上提供绚丽色彩的量子点，是一种纳米尺度的材料、微晶体和“人造原子”。

　　因其独特的光学和理化特性，量子点还有望广泛应用于医学诊断、柔性电子器件、太阳能电池、加密量子通信等领域。

　　瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美国哥伦比亚大学教授路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus）和美国纳米晶体技术公司前首席科学家阿列克谢·伊基莫夫(Alexei Ekimov)，以表彰他们在发现和合成量子点（quantum dots）方面作出的贡献。

　　“量子点可以被看作是整个纳米技术领域的一个里程碑。”纳米物理学教授、诺贝尔化学奖委员会成员、瑞典皇家科学院院士海纳·林克（Heiner Linke）说。

　　纳米尺度的“雕刻” 和“蜗居”的电子

　　量子点通常是由数千个原子组成的纳米微晶体。

　　”这就好比我们一群人举行宴会，原本在一个比较空旷的大的屋子里，大家都很自由，也很平和。但后来空间变得越来越小，渐渐人挤人，互相影响，大家的脸色会发生变化，情绪也会变得暴躁起来。尺寸决定量子点的性质。因为电子就像宴会中的我们一样。”

　　量子点能吸收光，然后辐射出另一波长的光。即使是同一种成分，但不同尺寸的量子点还是会呈现出不同的颜色。虽然其化学成分、元素组成没有改变，但纳米尺度的尺寸变化，已经改变了它们的电子排布。

　　理论计算作出的预测，比真正实验发现并成功合成量子点早了大约40年。

　　1937年，物理学家赫伯特·弗洛里希（Herbert Fröhlich）经过计算后预言，当材料颗粒的尺寸变得极小时，既是波又是粒子的电子会被挤压在一起，这将导致材料的特性发生巨大变化。

　　其他研究人员被他的洞察力深深吸引，利用数学工具预测了许多与尺寸有关的量子效应，并努力尝试在实验中证明这些效应。但1纳米等于百万分之一毫米，等于十亿分之一米。他们需要雕刻一个比针尖小一百万倍的微小结构来进行实验。这在当时是一个巨大的技术难题。

　　直到20世纪80年代初，俄罗斯和美国科学家分别独立地创造出第一个量子点。刚刚博士毕业、在苏联瓦维洛夫国立光学研究所工作的阿列克谢·伊基莫夫观察到，不同的烧制工艺制备的玻璃样品中氯化铜微晶体的尺寸差异巨大。有的只有2纳米左右，有的高达30纳米。

　　他进一步发现，这种微晶混凝土的颗粒越小，混凝土吸收的光线就越偏蓝。

　　量子点能吸收光，然后辐射出另一波长的光。粒子尺寸越大，留给电子波的空间越大。图：Johan Jarnestad

　　1981年，伊基莫夫在苏联的一份科学杂志上发表了上述发现，并将之解释为与纳米材料尺寸有关的量子效应——量子尺寸效应。

　　2年后，1983年，路易斯·E·布鲁斯发表了类似的量子效应实验结果。他对比的是4.5纳米和12.5纳米硫化镉颗粒，首次证明了液体中自由漂浮的胶体粒子的量子尺寸效应。

　　为什么材料颗粒的吸光度稍微偏向蓝色如此重要，并受到人们关注？

　　因为电子支配着物质的光学特性，也支配着物质的化化学反应能或导电能力。当研究人员检测到物质的吸光度发生变化时，他们明白，原则上，他们看到的是一种全新的材料。

　　最大贡献：元素周期表的“第三维”

　　除了五颜六色的光学特性和应用，袁岚峰认为，量子点最大的贡献是，“相当于‘给元素周期表增加了一个维度’，我觉得这是最好的表达了”。这是他带来的理论认知层面的启示。

　　一种化学元素的特性主要受其电子层数和外壳电子数的影响。这被认为是元素周期表的两个维度。此前人们对元素周期表的扩展局限在二维层面，不断寻找或创造新的元素。

　　但量子点材料表明，在纳米层面上，尺寸的变化对材料的性质影响很大，意味着想要开发新材料的科学家们又多了一个可以利用的因素。

　　因为在二维石墨烯材料上的开创性实验，英国曼彻斯特大学教授安德烈·盖姆与其学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫被授予2010年诺贝尔物理学奖。

　　海纳·林克在诺贝尔奖官网发布的文章中写道，现代纳米科学领域要求对纳米结构的合成进行精确和理想的原子级调制。量子点的发现，以及用高精度但相对简单的化学方法合成这种材料的能力，是纳米科学和纳米技术发展的重要一步。2023年诺贝尔化学奖的获奖者在建立这些能力方面发挥了核心作用，并以这种方式为纳米科学领域的成长提供了种子。在过去的几年里，研究人员一直在寻找一种新的材料，可以在光学和电子学中实现高度集成的功能。

（编辑：南京站长网）

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