因为爱情有晴天片尾曲交汇点讯 10月4日，2023年诺贝尔化学奖正式颁布。三名科学家蒙吉·巴文迪（Moungi Bawendi）、路易斯·布鲁斯（Louis Brus）和阿列克谢·叶基莫夫（Alexei Ekimov）分享奖项，以表彰他们在发现和合成量子点方面所作出的贡献。量子点是什么？有什么用处？记者邀请南京大学化学化工学院王元元教授、南京大学现代工程与应用科学学院邓正涛教授进行科普。

　　量子点（Quantum Dot）又称为半导体纳米晶体，由数百或者数千原子组成的直径小于20nm(纳米,10-9米)的晶体颗粒。最常见的量子点由II - VII族、III - VI族或I - III - VII族元素组成。

　　“量子点很小，直观地说，3000-4000个量子点并排排列后的直径，也就跟我们头发丝差不多。”南京大学化学化工学院教授王元元说，但并不是所有的纳米颗粒都可以被称为量子点。量子点的重要特征之一是具有量子限域效应--当块体材料的尺寸逐渐减小，其能带结构由连续能带变为分立的能级，且带隙随着晶体尺寸的变小逐渐增大。又由于量子点的尺寸小于激子的玻尔半径，从而保证光激发产生的激子能够实现高效的复合，使得量子点具有独特的光学性能，其中之一便是不同尺寸的量子点会发出不同颜色的光。

　　上个世纪80年代，叶基莫夫和布鲁斯，也就是此次获得诺奖的科学家，分别在前苏联和美国带领各自的研究小组“背靠背”的成功合成了量子点，其中叶基莫夫是成功地在玻璃质中合成了量子点，而布鲁斯在一种胶体溶液时偶然发现了尺寸变化能够产生颜色变化，从而成为世界上第一位证明在溶液中自由漂浮的晶体颗粒具有尺寸依赖性量子效应的科学家。另一位获奖者巴文迪是布鲁斯的助手，他的贡献在于彻底改变了合成量子点的方法，使其质量极高—这是它们应用于当今纳米技术的重要先决条件。王元元提到，我们也不能忽略在对这个领域做出卓越贡献的其他科学家，特别是前苏联理论物理学家Alexander Efros，他首次利用势箱中的粒子模型解释了量子尺寸效应。

　　正是有赖于这三位获奖者及广大量子点领域科研人员的不懈努力，现在人类能够利用纳米世界的一些奇特特性。王元元举例说，量子点由于其半峰宽窄、荧光量子产率高、颜色和能级精准可调及易于溶液法加工等特色已经成为新一代发光材料，可以用于构建高色域、高分辨和低能耗的量子点光致/电致发光器件。同时，他们在红外探测和光催化领域也有着广阔的前景。科学家们相信，在未来它们可以在柔性电子器件、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信等领域做出更大的贡献。

　　2014年全职加入南京大学工作之前，南京大学现代工程与应用科学学院邓正涛教授曾作为博士后研究员在美国麻省理工学院从事过量子点研究工作两年，与今年的诺奖得主蒙吉·巴文迪在同在电子学实验室。“蒙吉·巴文迪教授对量子点领域的贡献非常大，麻省理工也因他而成为量子点研究的‘圣地’。”

　　邓正涛介绍，量子点是一种半导体纳米晶体材料，尺寸通常在2-20纳米，和传统发光材料有很大的区别，以优越的光学特性而令人瞩目。目前，科研人员已经将量子点材料应用到了电视机屏幕、电脑显示器、照明灯具等领域，甚至在医疗领域的肿瘤切除手术中也有应用。

　　量子点优越的光学特性应用到显示屏中，可以帮助我们的日常生活解决大问题。邓正涛说，“过往我们通过手机显示屏或者电视屏幕看到的颜色，可能会出现偏灰或者色差较大的情况，但用上了量子点材料后，显示屏能真实还原物体本来的颜色，显示出特别纯净的色彩。”正红、玫红、西柚红……这些原本让消费者在线购物时头疼不已的显示屏色差，将来将“不复存在”。

　　不仅是对色差的“消灭”，量子点作为目前最好的发光材料，还使颜色深度“糅合”成为可能。“量子点材料发光的重要原理，是几百到几千个原子的相互作用，人们可以控制它们的大小和表面性质，从而‘调’出更多的色彩。”邓正涛举了个例子，“比如传统发光材料的世界里，红色就是红色，绿色就是绿色，但通过量子点材料，真的可以实现‘五彩斑斓的黑’。”

　　量子点技术对于光学世界的改造，正逐渐改变着我们的生活。记者从南京大学了解到，科研人员利用量子点技术研发的护眼灯具已经投入生产。最近，邓正涛教授团队自主研发成功了量子点光学膜。测试结果显示，采用量子点光学膜后，灯具光谱中的蓝光强度明显降低，青光强度得到提升，光谱连续性明显改善。该光学膜可以实现在440-460 nm蓝光范围内高效吸收，在470-520 nm青光范围内高效发射，有效解决目前照明灯具中蓝光溢出和青光缺失这两大瓶颈问题，并且表现出良好的耐强光辐照、耐水氧和耐高温稳定性，成本也较为低廉。该团队已经开始实施教室灯光改造的试点工作。

　　在化学生物学领域，量子点同样在“发光发热”。这几年，凭借良好的生物相容性和便捷的制备方法，高效抗菌材料得到了学界的广泛关注。目前，在化学合成和生物医学的应用上，近红外硫化银量子点已经取得了一系列重要进展。在生物传感、生物成像和疾病治疗诊断等细分领域里，这种新锐型纳米材料显示出巨大的应用潜力。

　　然而，鲜有研究探索硫化银量子点在水体消毒中的应用。同时，制备这种材料通常需要复杂的工艺与昂贵的试剂，这极大限制了相关研究和应用的开展。

　　南京大学生命科学学院魏炜副教授课题组与化学化工学院赵劲教授课题组，南京大学医学院附属鼓楼医院邱旭升副主任医师合作，借助简易水相合成的方法，利用生物进化的仿生银结合肽，制备出近红外硫化银量子点，并将其作为一种新型光热纳米材料用在抗菌领域中，借此发展出近红外硫化银量子点在环境修复上的新功能近红外光照 25 分钟杀菌率达 99.06%。

　　魏炜副教授告诉记者，结合硫化银量子点优异的光热特性和光催化特性，课题组希望可以进一步优化本次技术，拓展其在生物医学和环境修复等领域的应用。“硫化银量子点的研究仍处于起步阶段，比如针对它在能源转化、催化和环境等领域的潜在应用的研究依然相对较少。此次探索硫化银量子点的合成策略以及抗菌应用，也是希望为近红外材料的合成与应用带来一定参考。后续，课题组将进一步优化实验调控，扩展纳米材料的应用场景。”