日前，2023年諾貝爾化學(xué)獎花落“量子點”。美籍法國–突尼斯裔化學(xué)家蒙吉G.巴文迪（MoungiG.Bawendi），美國化學(xué)家路易斯E.布魯斯（LouisE.Brus）和俄羅斯物理學(xué)家阿列克謝I.葉基莫夫（AlexeiI.Ekimov）因“發(fā)現(xiàn)和合成量子點”獲得2023年諾貝爾化學(xué)獎。
量子點是一類微小顆粒，已經(jīng)應(yīng)用在多個領(lǐng)域。例如，電視屏幕和LED燈的光線傳導(dǎo)都與量子點相關(guān)，它們可以催化化學(xué)反應(yīng)，發(fā)出的光線也能為外科醫(yī)生照亮腫瘤組織。
據(jù)中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員楊曉光介紹，我國在《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點發(fā)展指導(dǎo)目錄（第一批）》中，明確提出發(fā)展量子點材料。目前，我國在量子點材料相關(guān)科研和產(chǎn)業(yè)方面，均處于國際領(lǐng)先水平，可將其打造為我國未來的長板產(chǎn)業(yè)。
量子點材料是什么？
量子點材料是一種準(zhǔn)零維的納米材料，由少量的原子構(gòu)成，具有高發(fā)光效率、高色純度、高色域、可溶液加工等特點。量子點材料具體包括藍色磷光材料、硅基量子點頻梳激光器材料等，可應(yīng)用于新一代信息技術(shù)等領(lǐng)域。
量子點技術(shù)是如何發(fā)展與推進的？
與諸多改變?nèi)祟惏l(fā)展進程的重大發(fā)現(xiàn)一樣，量子點也是被偶然發(fā)現(xiàn)的。阿列克謝I.葉基莫夫于1980年在研究彩色玻璃時發(fā)現(xiàn)了納米顆粒的尺寸依賴性質(zhì)，標(biāo)志著量子點的發(fā)現(xiàn)；1983年，路易斯E.布魯斯在研究硫化鎘膠體溶液后提出了量子點光學(xué)性質(zhì)的量子尺寸效應(yīng)；蒙吉G.巴文迪于1993年提出了具有劃時代意義的“熱注射法”，制備出了均勻、尺寸可調(diào)的高質(zhì)量量子點，極大地推動了該研究領(lǐng)域的發(fā)展。三位科學(xué)家的突破性工作為量子點技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路，將其從實驗室推向?qū)嶋H應(yīng)用。
據(jù)楊曉光介紹，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，1986年，日本東京大學(xué)的荒川教授（Arakawa）提出并預(yù)測了半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)從二維量子阱演變到零維量子點后材料性能的變化。此后，將量子點材料應(yīng)用于光電器件，特別是激光器成為重要的技術(shù)發(fā)展趨勢。一個典型例子是量子點激光器可以在200℃的高溫下正常工作，遠超傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的工作溫度上限。
量子點材料可應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？
據(jù)廈門大學(xué)材料學(xué)院教授解榮軍介紹，量子點材料最具商業(yè)價值的應(yīng)用是在高清顯示領(lǐng)域，包括電視、電腦、平板電腦、手機等，具有萬億級市場規(guī)模。在精確控制下不同尺寸的量子點，在受到外來能量激發(fā)后，可發(fā)出對應(yīng)波長的光，這是量子點材料用于顯示應(yīng)用的第一個關(guān)鍵優(yōu)勢。量子點材料的第二個關(guān)鍵優(yōu)勢是它們的發(fā)光光譜非常窄，使得其發(fā)光顏色異常純凈，使顯示屏幕可以呈現(xiàn)更鮮艷、更真實的顏色。溶液可加工性是量子點材料的第三個關(guān)鍵優(yōu)勢，這意味著材料加工成本低且與多種化學(xué)溶劑有兼容性。
事實上，量子點顯示只是一道“開胃菜”。量子點材料并未止步于顯示，生物成像、傳感器、太陽能電池等都將成為它的應(yīng)用落地場景。
“今天，量子點材料已成為納米技術(shù)中不可或缺的部分，在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，量子點材料都具有廣泛的應(yīng)用?！苯鈽s軍表示，量子點材料抗退化，亮度是有機染料的10—20倍，該特性可以使量子點熒光探針對細胞生命過程進行更長時間的跟蹤；量子點材料具有化學(xué)惰性且具有較大的比表面積，保證了較高的載藥能力，因此可以在生物系統(tǒng)中標(biāo)記納米載體，適用于治療性藥物輸送；量子點材料還具有表面修飾的可行性，可以通過相互作用與肽、碳水化合物、DNA片段、病毒和天然產(chǎn)物進行生物偶聯(lián)。這些應(yīng)用不僅顯示了量子點材料在生物醫(yī)學(xué)研究中的潛力，也為我們提供了探索生命過程和疾病治療的新途徑。
楊曉光表示，目前我國在量子點材料研究及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，均處于國際先進水平。量子點材料很有希望成為我國在光電、信息、顯示等領(lǐng)域的“強手棋”?！爸Z貝爾獎的頒布帶動了量子點材料的關(guān)注度，有望進一步推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使其在更多領(lǐng)域發(fā)揮價值?！苯鈽s軍表示。
圖片來源|我圖網(wǎng)
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