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为纳米技术“播下了重要的种子” 三名科学家获今年诺贝尔化学奖

时间:2024-04-25 09:24:46 点击:154 次

  瑞典皇家科学院4日宣布,将2023年诺贝尔化学奖授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫,以表彰他们在发现和合成量子点方面所作出的贡献。

  瑞典皇家科学院常任秘书汉斯·埃勒格伦当天在皇家科学院会议厅公布了获奖者名单及主要成就。他说,今年获化学奖的研究成果为纳米技术“播下了重要的种子”。

  瑞典皇家科学院在当日发表的新闻公报中说,今年的获奖者们在上世纪八九十年代发明和改进了制造量子点的技术。如今,量子点“照亮了”基于QLED(量子点发光二极管)技术的计算机显示器和电视屏幕,它们还为一些LED(发光二极管)灯的光线增添了细微差别,生物化学家和医生也在使用它们来绘制生物组织图。

  据介绍,巴文迪1961年出生于法国,是美国麻省理工学院教授;布鲁斯1943年出生于美国,是美国哥伦比亚大学教授;叶基莫夫1945年出生于苏联,是美国纳米晶体技术公司的前首席科学家。

  10月4日,因“发现和合成量子点”,蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫被授予2023年诺贝尔化学奖。

  究竟什么是量子点?量子点的色彩表现能力是怎么被发现的?它有什么应用前景?

  一般而言,元素的性质取决于它有多少电子。然而,当半导体收缩到纳米尺寸时,会出现一个奇特的现象:尺寸越小,能带宽度变大,出现“蓝移”,即发光越来越蓝;尺寸越大,能带宽度变小,出现“红移”,即发光越来越红。这种奇特现象也被称为“量子尺寸效应”。

  量子点是一种半导体纳米颗粒,其尺寸非常小,从几纳米到十几纳米,硒化镉、磷化铟等是常见的量子点材料。由于量子尺寸效应,不同尺寸的硒化镉纳米颗粒,光的颜色会不一样。

  诺贝尔化学委员会主席约翰·奥奎斯特说:“量子点有许多迷人而不同寻常的特性。重要的是,它们根据大小有不同的颜色。”

  量子点是近40年来为数不多实现产业化的纳米材料之一,发展潜力巨大。

  量子点最突出的应用就是新一代显示屏——QLED,Q是量子点首字母缩写。“由于不同尺寸大小组成的量子点受激发后会呈现出不同的颜色,能覆盖可见光区域,因此可作为新一代显示发光材料。”上海理工大学材料与化学学院铋科学研究中心副教授李钰皓解释,如此呈现出来的彩色更纯、更丰富,因此视觉感受更接近人眼看到的,屏幕画质变得“更好看、更养眼”。

  2013年索尼推出全球首款量子点电视,但至今量子点电视尚未“飞入寻常百姓家”。“这主要是材料的成本问题,如果能够降低成本,相信会有更广泛的应用。”复旦大学化学系教授董安钢说。

  除了量子点电视,它还有什么应用前景?

  太阳能电池中使用量子点材料,可以提高光电转换效率。上海理工大学材料与化学学院特聘教授廉孜超介绍,现在的太阳能电池大多使用的是单晶硅材料,量子点比硅吸收太阳光的范围更广,而且对光的吸收能力强,再加上在溶液中合成和后续处理量子点比较简易方便,因此量子点在太阳能电池中将有很大的应用潜力。

  “由于量子点的发光谱峰更窄,不易发生串色现象,能同时对细胞内多种特定物质进行持续追踪,可应用在肿瘤标志物的分析检测、荧光手术导航中。”李钰皓告诉记者,目前这一技术在我国已进行小范围的临床使用。

  量子点在催化领域也能施展拳脚。李钰皓教授介绍,比如通过光催化来分解水,产生氢气;通过光催化,把二氧化碳转化成一氧化碳、甲烷,量子点在再利用二氧化碳方面有很多优势。

  量子点在量子计算机方面也能应用,如用电场约束法来合成量子点,可调控其量子特性用于制造量子计算机。目前,上理工铋科学研究中心正在研究合成铋元素的量子点,拓展量子点在生物医药及光电催化等领域的应用。

  上海科技大学物质学院研究员宁志军表示,上科大的光电转化材料与器件实验室也在进行量子点表面态和自组装方面的研究,并将它应用到红外探测器件中。未来,量子点还能应用在新兴光电器件中,比如红外探测器、太阳能电池器件等。

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