日前，2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)花落“量子點(diǎn)”。美籍法國(guó)–突尼斯裔化學(xué)家蒙吉G.巴文迪（MoungiG.Bawendi），美國(guó)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(diǎn)”獲得2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
量子點(diǎn)是一類(lèi)微小顆粒，已經(jīng)應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。例如，電視屏幕和LED燈的光線傳導(dǎo)都與量子點(diǎn)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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員楊曉光介紹，我國(guó)在《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄（第一批）》中，明確提出發(fā)展量子點(diǎn)材料。目前，我國(guó)在量子點(diǎn)材料相關(guān)科研和產(chǎn)業(yè)方面，均處于國(guó)際領(lǐng)先水平，可將其打造為我國(guó)未來(lái)的長(zhǎng)板產(chǎn)業(yè)。
量子點(diǎn)材料是什么？
量子點(diǎn)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(diǎn)。量子點(diǎn)材料具體包括藍(lán)色磷光材料、硅基量子點(diǎn)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(diǎn)技術(shù)是如何發(fā)展與推進(jìn)的？
與諸多改變?nèi)祟?lèi)發(fā)展進(jìn)程的重大發(fā)現(xiàn)一樣，量子點(diǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)了納米顆粒的尺寸依賴(lài)性質(zhì)，標(biāo)志著量子點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)，極大地推動(dòng)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(diǎn)技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路，將其從實(shí)驗(yàn)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(cè)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(diǎn)后材料性能的變化。此后，將量子點(diǎn)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(shì)。一個(gè)典型例子是量子點(diǎn)激光器可以在200℃的高溫下正常工作，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的工作溫度上限。
量子點(diǎn)材料可應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？
據(jù)廈門(mén)大學(xué)材料學(xué)院教授解榮軍介紹，量子點(diǎn)材料最具商業(yè)價(jià)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(jī)等，具有萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)規(guī)模。在精確控制下不同尺寸的量子點(diǎn)，在受到外來(lái)能量激發(fā)后，可發(fā)出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光，這是量子點(diǎn)材料用于顯示應(yīng)用的第一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。量子點(diǎn)材料的第二個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(shí)的顏色。溶液可加工性是量子點(diǎn)材料的第三個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，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(shí)上，量子點(diǎn)顯示只是一道“開(kāi)胃菜”。量子點(diǎn)材料并未止步于顯示，生物成像、傳感器、太陽(yáng)能電池等都將成為它的應(yīng)用落地場(chǎng)景。
“今天，量子點(diǎn)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(diǎn)材料都具有廣泛的應(yīng)用?！苯鈽s軍表示，量子點(diǎn)材料抗退化，亮度是有機(jī)染料的10—20倍，該特性可以使量子點(diǎn)熒光探針對(duì)細(xì)胞生命過(guò)程進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤；量子點(diǎn)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(diǎn)材料還具有表面修飾的可行性，可以通過(guò)相互作用與肽、碳水化合物、DNA片段、病毒和天然產(chǎn)物進(jìn)行生物偶聯(lián)。這些應(yīng)用不僅顯示了量子點(diǎn)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(guò)程和疾病治療的新途徑。
楊曉光表示，目前我國(guó)在量子點(diǎn)材料研究及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，均處于國(guó)際先進(jìn)水平。量子點(diǎn)材料很有希望成為我國(guó)在光電、信息、顯示等領(lǐng)域的“強(qiáng)手棋”。“諾貝爾獎(jiǎng)的頒布帶動(dòng)了量子點(diǎn)材料的關(guān)注度，有望進(jìn)一步推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，使其在更多領(lǐng)域發(fā)揮價(jià)值?！苯鈽s軍表示。
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