出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览

就在前不久，2023年诺贝尔化学奖授予了三位研究**量子点（quantum dots）**领域的科学家，以表彰他们在发现和制备量子点方面作出的杰出贡献。

这三位获奖者分别是美国麻省理工学院的蒙吉·巴文迪（Moungi Bawendi）教授，美国哥伦比亚大学的路易斯·布鲁斯（Louis Brus）教授和俄罗斯科学家阿列克谢·伊基莫夫（Alexei Ekimov）。

荣获2023年诺贝尔化学奖的三位科学家

（图片来源：Nobel Prize Outreach）

那么，到底什么是量子点？他们三位科学家在量子点的发现和制备过程中有哪些有趣的故事？量子点的出现和应用又给我们的生产和生活带来了哪些改变呢？

量子点：会发光的纳米颗粒

量子点就是一种会发光的纳米颗粒，其颗粒尺寸通常在1—10纳米之间，并且一般由5—50个原子组成。因此，量子点并不是类似于原子或者电子的微观基本粒子，而是由一定数量的原子构成的纳米颗粒。

从长度单位的换算关系来看，1纳米等于十亿分之一米，或者百万分之一厘米，我们普通人的一根头发丝直径大约是5—6万纳米。因此，纳米世界是一个完全新奇的微观世界。

相信有很多小伙伴会好奇：量子点明明听起来像一个物理概念，可为什么会获得诺贝尔化学奖呢？

其实，在微观世界中，很多时候我们需要用纳米（nm）来描述颗粒大小。而量子点的发现和制备，可以算是人类在纳米技术领域的一次里程碑式的突破。如果从物理学的角度来看，量子点体现了人们对于纳米技术的精细调控能力，因而更加侧重于应用技术，而非物理学的某种基础性突破。

而如果从化学的角度来看，这三位科学家发明并且完善了大规模制备量子点的化学技术，为纳米技术的发展提供了重要的化学技术支持。

那么，在化学领域上有着巨大潜力的量子点又具有哪些独特的性质呢？

原子与最外层电子的示意图

（图片来源：veer图库）

材料的发光特性是由材料的微观结构决定的，而材料微观结构之间的差异，则体现在构成材料的原子最外层电子的不同状态上。也就是说，最外层电子处于不同状态时，材料的发光特性也会随之改变。

量子点的物理尺寸十分微小，这就导致构成量子点的原子的最外层电子，会受到空间尺寸的限制而无法自由移动。而这种空间尺寸上的限制，会导致最外层电子的能量也只能选取特定的值。

这种电子只能选取特定能量的状态，与宏观世界中的发光材料很不相同。这是因为宏观世界中的材料中的最外层电子不受限制，可以自由移动，因此其电子能量是连续的取值。

限制在不同尺寸区域的电子示意图

（图片来源：veer图库）

也就是说，**对于某种特定尺寸的量子点，其内部的电子就会随之限制在不同尺寸的区域内，从而显示出特定的能量状态。**而当量子点受到外界条件的激发作用时，其内部的电子就会根据自身不同的能量状态，而受激辐射出不同波长的荧光。

不同纳米尺寸的量子点所激发出的不同荧光

（图片来源：veer图库）

一般而言，量子点的颗粒尺寸越大，其内部的电子能量状态就会越低，相应的受激辐射出波长更长的光（即接近红光）；而当量子点的颗粒尺寸越小，其内部的电子能量状态就会越高，就可以受激辐射出波长更短的光（即接近蓝光）。

综上所述，量子点是一种人工制造的会发光的纳米颗粒，其特殊之处在于，我们可以人工制备出不同纳米尺寸的量子点，来特定地调控量子点所发出的荧光颜色。

发光有什么神奇的？的确很神奇！

看完量子点的功能，你是不是觉得，这不就是普通的发光材料吗？为什么还值得发诺奖呢？

在回答这个问题之前，不妨让我们回顾一下中学时代的光学知识吧。

根据经典光学的描述，光的本质是一种电磁波，不同波长的光会呈现出不同的颜色。其中，我们人眼可见的彩色光只占据光谱很小的一部分，相应的波长大约在400纳米—700纳米。当波长从700纳米减少至400纳米时，人眼感受到的颜色在红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫及其之间的多种颜色中变化。

人眼所能感知的可见光（波长与对应颜色）

（图片来源：veer图库）

各种颜色的光虽然缤纷繁杂，但都是由红色（700纳米）、绿色（546.1纳米）和蓝色（435.8纳米）这三种颜色的基本光以不同的比例叠加成的，因此，红、绿、蓝也被称为光的三原色（RGB）。我们人眼感受到的白光，就是三原色等比例叠加得到的。

红绿蓝三原色示意图

（图片来源：veer图库）

我们需要区别，彩色光的提取和制备是两个不同的概念。对于彩色光的提取而言，我们只是反过来利用光的三原色原理，利用滤光片或者三棱镜将白光中特定颜色的光给过滤出来。也就是说，我们只是从自然界中提取特定颜色的光，而非人为制备出所需的彩色光。

白光经过三棱镜后分解成为各种彩色光

（图片来源：veer图库）

因此，如果我们想要人工制备出特定颜色的光，按照原来的办法就只能先得到纯净的红色、绿色和蓝色光源，然后再调整三原色不同的混合比例，从而得到特定颜色的光。然而，这种传统的发光机制却在实际应用中存在两个严重的问题。

其一，获取纯净并且长期稳定的三原色单色光源，其实是很困难一件事情。这是因为，单色光源在实际工作中会受到环境条件影响而发生波长的偏移（即光衰）。也就是说，单色光源在实际使用一段时间后就不再是标准的红、绿、蓝三原色。

基于红绿蓝三原色的发光显示屏的最小像素点

（图片来源：veer图库）

其二，要想发出任意颜色的光，就需要每个最小发光单元上都集成红、绿、蓝三原色单色光源。如此一来，不仅仅提高了工业制造的生产成本，而且由于单色光源会发生光衰，合成出来的彩色光也会存在色彩失真的问题。

而量子点的出现正好解决了传统发光材料的上述问题。

量子点的解答

量子点能解决以上问题的原因有二。

首先，量子点的发光特性是由自身的纳米尺寸决定的，不会受到外界工作环境的影响而改变纳米尺寸。也就是说，只要量子点在制备完成后，其自身的发光特性理论上就不会受到工作环境的影响。此外，通常情况下，量子点在制备完成后也被稳定地封装起来，这也进一步提高了量子点发光特性的长期稳定性，并且延长了使用的寿命。

量子点合成的化学方法示意图

（图片来源： Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.）

其次，不同纳米尺度的量子点具有不同的发光波段，因而人们可以精确调控量子点的纳米尺寸，来获得颜色十分准确的单色光。

也就是说，我们可以采用量子点发光技术直接得到所需的彩色光，从而避免了传统的彩色光合成技术。此外，人们已经掌握了大规模制备量子点的化学合成技术，可以大批量制备出发光特性稳定的量子点，从而降低了生产成本。

也正是由于量子点有发光范围广、特性稳定以及使用灵活等优势，使得量子点拥有了广泛的应用前景。

可穿戴的微型设备

（图片来源：veer图库）

除了在生活场景中使用外，量子点技术还可以作为量子信息的载体，有望实现奇妙的量子计算。这是因为，量子点中的电子被限制在几个纳米的尺度内，在外界磁场的调控下，其内部的电子能态可以劈裂成为高/低两个状态，从而可以分别编码成为1态和0态。

也就是说，我们可以人为调控量子点内部电子不同的能量状态，从而构成良好的二能级系统，即“量子比特”。这种基于量子点技术的量子计算方案能够与现今主流的集成电路工艺相兼容，已经吸引了学术界的广泛关注。

结语

综上所述，量子点的发现和制备是人类科技发展上的一次重大突破，人们可以根据自身的需要来精确调控纳米尺寸的量子点，并且展现出广阔的应用前景。

因此，量子点技术也被科学家认为是现代纳米技术的种子，为人们打开了通往纳米世界的一扇大门。而量子点也赋予了我们创造任意彩色光的能力，从而点亮了五彩缤纷的世界。

量子计算概念图

（图片来源：veer图库）

既然量子点技术这么神奇有趣，那么是否有小伙伴疑惑，量子点中的“量子”又体现在哪些方面呢？量子点被发现的背后又有哪些精彩的科学故事呢？请各位保持好奇心，跟随作者在下一篇文章中寻找答案吧！

来源: 中国科普博览

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