彩色玻璃和QLED电视，原理是差不多的？ | 2023诺贝尔化学奖探秘
正文共3304字，预计阅读时间约为10分钟
如果说前天的诺贝尔物理学奖是奖给了一种让我们观察微观世界的工具，那么昨天的诺贝尔化学奖就是奖给了一种将微观现象“放大”并带入现实生活的新材料——量子点。
2023年10月4日，瑞典皇家科学院将2023年度诺贝尔化学奖授予法国科学家蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国科学家路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus）和俄罗斯科学家阿列克谢·叶基莫夫（Alexei I. Ekimov），以表彰他们为发现与合成量子点做出的贡献。
2023年诺贝尔化学奖得主：蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus）和阿列克谢·叶基莫夫（Alexei I. Ekimov）（图片来源：瑞典皇家科学院）
近几年，随着量子科学的发展，也许读者朋友们已经见惯了各种“量子产品”，不过量子点可并非浪得虚名。我们一起来看一看，它究竟是什么来头，为什么说这是一项意义深远的发明。
“课本例题，答案略”
量子力学是微观世界的主宰。这里所说的“微观世界”到底有多微观呢？最初的量子力学，描述的是原子内部的电子运动。
1926年薛定谔方程刚提出的时候，科学家们试图学习这一深奥的新理论，并且开始编写讲解量子力学的教程和课本。此时，人们提出了一个方便学习的简化模型：盒中粒子问题。
假设有一个小盒子束缚住了一个电子，考虑电子的波粒二象性并且通过薛定谔方程的求解，最终可以得出结论：这个被束缚的电子会表现出很强的波动性，它的能量会与“盒子”的大小密切相关：盒子越小，电子波的能量越高。将盒子替换为束缚电子的原子，这道经典的盒中粒子习题直到今天仍然存在于大学的量子力学教材里。
在1937年，英国物理学家赫伯特·弗勒利希在计算这道练习题的时候发现了一个有趣的点：如果这个盒子的尺寸超过单个原子的大小（例如，10纳米的尺度），那么计算出来的电子运动将得到很奇怪的结果。
盒中粒子问题的场景：用来模拟一个被困在盒中的电子。人们发现，金属或者半导体材料能够形成宽达几十纳米的“盒子”，这为电子的运动赋予了新的可能性。（图片来源：维基百科）
虽然单个原子不会有10纳米这么大，但是一些特殊的“盒子”（例如金属或者半导体材料）理论上是可以做到纳米大小的颗粒的。
弗勒利希的计算预言，10纳米的金属颗粒与大块金属相比，一种称为“电子比热”的性质将发生非常可观的变化。也就是说，纳米尺度下量子力学仍然适用，但在大体积的材料中失效了，导致不同尺度下的材料性质发生了变化。
在此之后，很多科学家沿着这个思路进行探索，在理论上证明了很多新结果，总结起来就是：除了电子比热之外，颗粒为纳米大小的金属或半导体物质在很多性质上都与宏观材料有着明显区别，例如光学、磁学、热学等。
这其中最引人注目的一个效应，也是在本次诺奖发布会上科学家所展示的一个效应，就是这些纳米大小的颗粒在吸收能量后会发出特定颜色的光，正如我们前面所说的：盒子越小，其中束缚的电子波能量就越高，而高能量的电子会发出偏蓝紫色的光，低能量电子发光就会偏红色。
诺奖发布会现场，科学家展示了发光的量子点，它们是同一种物质组成的，只不过形成的颗粒大小不同，在受到激发后就会发出不同颜色的光。（图片来源：瑞典皇家科学院）
虽然早在半个多世纪之前，人们就已经了解到这些纳米尺度的“电子束缚盒”会有很奇妙的性质，但很长一段时间里，并没有人试图研究这些性质的应用，原因很简单：这一结果太“课本习题”了，就好像物理书里“完全光滑无摩擦”的平面一样，即便性能再美妙，也不可能造出来。不出意外的话，这只能是像一切完美的理论模型一样仅存在于想象中。
但正如一切故事一样，不出意外的话，这时候该出意外了。
化学和做菜的共通点：火候
上世纪80年代，阿列克谢·叶基莫夫在博士毕业后，来到苏联瓦维洛夫国立光学研究所研究彩色玻璃。中世纪的玻璃工匠就已经知道，向玻璃中掺入不同的显色物质（例如铜盐、铁氧化物等），就会得到五颜六色的彩色玻璃。
早期的物理学家要依靠玻璃工匠才能获得光学仪器，但是随着研究的深入，他们开始觉得工匠满足不了他们日益精细的需求，因此亲自下场开始研制自己所需的彩色玻璃。
当时叶基莫夫的课题是，研究彩色玻璃中显色颗粒的构造以及形成机制。在研究过程中，他发现一个特殊的现象：彩色玻璃在低温下表现出不同寻常的光谱。
虽然同事们都认为这只是玻璃中过饱和的CuCl在冷却后所形成的晶粒导致的，但叶基莫夫知道，这一特殊光谱自己并非首次见到，而是与自己在博士阶段所研究的CuCl纳米薄膜的性质非常相似。
他敏锐地意识到，彩色玻璃中可能也存在着纳米尺度的CuCl颗粒，而CuCl作为一种半导体材料，是一种天然的“电子束缚盒”。因此，这些纳米级的CuCl颗粒正好就符合那道课本练习题中的场景！
想要验证这一猜想很简单，我们已经知道，盒子（颗粒）越小，盒中电子的能量越高，发出来的光越偏蓝紫色。于是，叶基莫夫通过调整制造玻璃的熔融时长和温度，并通过X光检查确认，获得了含有不同CuCl颗粒大小的彩色玻璃。测量它们发出的光的能量，发现这些能量与颗粒的大小完全相关，与理论计算的结果吻合。这些颗粒就是后来被称为量子点的纳米颗粒。
于是，纳米尺度下的量子效应，从抽象的理论，变成了现实。这一发现看似偶然，但是叶基莫夫的学术基础和实验经历让他把握住了这一偶然的机会，因此他的成功也是一种必然。
彩色玻璃是古老的发明，但其中颜色的原理却蕴含着深刻的量子机制。（图片来源：veer图库）
无独有偶，1983年，美国贝尔实验室的路易斯·布鲁斯想要做一些CdS晶粒来用。他按照当时的常规方法进行制作时，发现了一个奇怪的现象：当天新做出来的CdS晶粒，和放了几天之后的晶粒相比，在受激发射光谱上有些不同。
于是他假设，放置几天之后的晶粒相比于新鲜出炉的来说，可能是已经进一步长大了，所以导致了性质的改变。经过进一步研究，布鲁斯确认：作为一种半导体材料，CdS晶粒的尺寸确实会影响它的性质，这与叶基莫夫在彩色玻璃中找到的CuCl颗粒一样，是与宏观尺度的大块材料性质完全不同的新材料——量子点。
布鲁斯制备的CdS量子点，半径5纳米左右。（图片来源：瑞典皇家科学院）
至此，人们已经完全相信，教科书上的“完美例题”已经能够在现实世界中实现。因此，人们又重拾当年的理论，来进一步探究这种量子点的性质和可能的应用场景。
这一阶段，想要制造量子点还是需要非常精确的条件和技巧，并只有几种材料能够成功制成量子点。量子点难以量产，导致了它的研究和应用都受到限制。
到了1993年，麻省理工学院的蒙吉·巴文迪的课题小组研发的新技术，引领了一场量子点领域的“工业革命”。只要调节好火候，就可以获得不同颗粒大小的纳米颗粒。应用这一方法，在自家厨房里也可以批量生产量子点了。
巴文迪大厨教你如何在家“煮”出量子点！（图片来源：瑞典皇家科学院）
新材料，大用途
从此之后，量子点成了材料科学中的新星，它的性质得到了充分的研究，应用场景也在大大拓宽。
举例来说，量子点拥有特殊的光学特性，发光的颜色可以随着颗粒的大小而改变，也就是说理论上来讲我们可以用人工控制量子点颗粒大小，让它们发出任意颜色的光。运用量子点发光制造的显示屏叫做QLED，相比于LED或OLED来说，它的色域更广、能耗更低，目前已经投入商用。
另外，在生物医药研究领域，量子点技术也有用武之地。生物学家可以将量子点连接到生物分子上，通过观察它们发出来的光来研究这些分子在不同细胞和器官中的分布；在医学上，量子点也可以用来追踪肿瘤细胞。量子点的特殊光学性质也可以应用在光伏发电和化学催化剂中。
将量子点“绑定”在生物分子上，利用量子点的发光特性就可以研究这一分子到底在生物体内是如何分布和代谢的。传统的有机染料颜色单一而且不可调节，而量子点可以提供全光谱的染色功能，为生物学研究提供非常大的便利（图片来源：RightVision.com）
写在最后
量子点给人类带来非常大的益处，而我们对这一技术潜力的探索才刚刚开始。在未来，量子点可以帮我们创造更灵活的电子产品、更微小的传感器、更薄的太阳能电池，也许还有加密量子通信。
关于这一惊人的量子现象，还有很多东西需要了解，但有一件事是确定的：对量子世界的探索，会为我们的宏观世界带来意想不到的收获，虽然在最开始探索的时候，我们并不知道这会有什么用。
科学很有用，但是我们不能只做有用的科学。“我们为什么要攀登科学高峰？”——“因为科学就在那儿呀！
参考资料：
[1]Brus, L. E. A Simple-Model for the Ionization-Potential, Electron-Affinity, and Aqueous Redox Potentials of Small Semiconductor Crystallites. J Chem Phys 1983, 79 (11), 5566-5571. DOI: Doi 10.1063/1.445676.
[2]Bloch, F. About the Quantum mechanics of Electrons in Crystal lattices. Z Phys 1929, 52 (7-8), 555-600. DOI: Doi 10.1007/Bf01339455.
[3]Ekimov, A. I.; Onushchenko, A. A. Quantum Size Effect in Three-Dimensional Microscopic Semiconductor Crystals. JETP Lett+ 1981, 34 (6), 345-349.
[4]Fröhlich, H. Die spezifische Wärme der Elektronen kleiner Metallteilchen bei tiefen Temperaturen. Physica 1937, IV (5), 406 - 412.
[5] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/press-release/
作者：牧心
版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
文章首发于科学大院，仅代表作者观点，不代表科学大院立场。转载请联系cas@cnic.cn
推荐阅读
科学大院是中国科学院官方科普微平台，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声
主办机构：中国科学院学部工作局 中国科学院科学传播局
运行机构：中国科学院计算机网络信息中心
技术支持：中国科普博览
转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn
大院er拍了拍你：不要忘记
点亮这里的 赞 和 在看 噢~