2023年諾貝爾化學(xué)獎成果理論研究：量子點的發(fā)現(xiàn)、特性與應(yīng)用

摘要：2023 年諾貝爾化學(xué)獎授予蒙吉·巴文迪、阿列克謝·?；蚺c路易斯·布魯斯，以表彰其在量子點發(fā)現(xiàn)與合成領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻。本文基于量子力學(xué)基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)闡釋量子點的定義與核心特性，厘清其跨學(xué)科屬性及歸屬化學(xué)獎的學(xué)術(shù)依據(jù)，深入分析其在顯示技術(shù)、太陽能電池及生物醫(yī)學(xué)三大領(lǐng)域的理論應(yīng)用價值，為該前沿納米材料的學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化提供理論參考。

　　關(guān)鍵詞：量子點；諾貝爾化學(xué)獎；量子力學(xué)；納米晶體；應(yīng)用理論

 　 一、諾貝爾化學(xué)獎獲獎背景與學(xué)術(shù)爭議

　　北京時間2023年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院公布諾貝爾化學(xué)獎獲獎名單，美國科學(xué)家蒙吉·巴文迪、阿列克謝·埃基莫夫及路易斯·布魯斯憑借“發(fā)現(xiàn)和合成量子點”的突破性成果共同獲獎。這一結(jié)果延續(xù)了近年諾貝爾化學(xué)獎的跨學(xué)科特征，引發(fā)學(xué)術(shù)領(lǐng)域?qū)Κ勴棜w屬的廣泛討論。

　　縱觀近年諾貝爾化學(xué)獎授予情況，2022年點擊化學(xué)與生物正交化學(xué)、2020年基因組編輯方法、2018年酶的定向演化及噬菌體展示技術(shù)等成果，均呈現(xiàn)出明顯的學(xué)科交叉屬性，被網(wǎng)友戲稱為“諾貝爾理綜獎”。而“量子點”這一命名自帶量子力學(xué)標簽，進一步加劇了爭議，核心疑問集中于：量子點的本質(zhì)屬性、與量子力學(xué)的關(guān)聯(lián)、歸屬化學(xué)獎的合理性及具體應(yīng)用價值等方面，[1]亟須從理論層面進行系統(tǒng)解答。

 　 二、量子點的理論基礎(chǔ)與核心特性

　?。ㄒ唬┝孔恿W(xué)理論支撐

　　量子力學(xué)顛覆了經(jīng)典物理的物質(zhì)分割觀，提出物質(zhì)存在不可再分的基本單位，這一核心理論為量子點的研究奠定基礎(chǔ)。經(jīng)典哲學(xué)中“一尺之捶，日取其半，萬世不竭”的無限分割思想，在量子力學(xué)體系中不再成立。物質(zhì)分割至特定尺度后，將呈現(xiàn)量子化特性，這種最小基本單位被定義為“量子”，其運動規(guī)律與相互作用構(gòu)成量子力學(xué)的研究核心。

　　量子點的研究與量子力學(xué)密切相關(guān)，其微觀行為可通過量子力學(xué)理論直接解釋。但與量子物理學(xué)側(cè)重理論研究不同，量子點的發(fā)現(xiàn)與合成過程，核心依賴化學(xué)合成技術(shù)與材料表征方法，這一學(xué)科屬性成為其歸屬化學(xué)獎的關(guān)鍵依據(jù)。

　?。ǘ┝孔狱c的定義與結(jié)構(gòu)特征

　　量子點本質(zhì)上是三維尺度均處于納米級別的低維納米晶體，又稱零維物體。其晶粒直徑通常介于2-10納米之間，單個顆粒僅包含數(shù)千個原子，核心結(jié)構(gòu)由核、配體兩部分組成。

　　從物質(zhì)構(gòu)成來看，量子點的化學(xué)成分與常規(guī)晶體顆粒一致，但尺寸效應(yīng)使其產(chǎn)生獨特的物理化學(xué)性質(zhì)。這種尺寸依賴性源于量子約束效應(yīng)：當晶體尺寸縮小至納米尺度時，電子運動受到空間限制，電子狀態(tài)發(fā)生顯著變化，進而導(dǎo)致光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)的根本性轉(zhuǎn)變。

　　（三）核心光學(xué)與電學(xué)特性

　　量子點最顯著的理論特性是其尺寸調(diào)控的發(fā)光性能。在外界激發(fā)條件下，量子點可發(fā)射高質(zhì)量單色光，光的波長（顏色）與顆粒尺寸呈嚴格正相關(guān)：尺寸較大時發(fā)射紅光，尺寸減小時發(fā)射光逐漸向藍光偏移，[2]這一特性打破了傳統(tǒng)材料光學(xué)性質(zhì)由化學(xué)成分決定的固有規(guī)律。

　　此外，量子點還具備窄禁帶寬度、高熒光效率、峰位可調(diào)及化學(xué)穩(wěn)定性強等核心特性。這些理論特性使其在光電子轉(zhuǎn)換、生物標記等領(lǐng)域具備不可替代的應(yīng)用優(yōu)勢，成為納米材料領(lǐng)域的研究熱點。

 　 三、量子點的理論應(yīng)用領(lǐng)域

　　（一）顯示技術(shù)領(lǐng)域的理論應(yīng)用

　　量子點顯示技術(shù)（QLED）的理論基礎(chǔ)源于其獨特的光學(xué)特性。將量子點材料附著于LED背板，可通過藍光激發(fā)實現(xiàn)紅光、綠光的高效轉(zhuǎn)換，構(gòu)建標準RGB三基色發(fā)光體系。

　　從理論層面分析，該技術(shù)相比傳統(tǒng)顯示技術(shù)具有三大優(yōu)勢：一是窄禁帶寬度使發(fā)光光譜半峰寬更窄，色彩純度更高；二是高熒光效率提升光能量利用率，降低能耗；三是峰位可調(diào)特性可實現(xiàn)全光譜覆蓋，色彩還原度更優(yōu)。目前該技術(shù)已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，理論轉(zhuǎn)化產(chǎn)物“量子點電視”呈現(xiàn)出清晰度高、色彩真實、能耗低等優(yōu)勢，但在黑色下沉技術(shù)方面仍存在理論優(yōu)化空間。

　?。ǘ┨柲茈姵仡I(lǐng)域的理論突破

　　傳統(tǒng)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率受限于材料能帶結(jié)構(gòu)，量子點的引入為突破這一理論瓶頸提供了新路徑。量子點的尺寸可調(diào)特性使其能帶隙可精準調(diào)控，能夠匹配太陽光譜的寬范圍分布，實現(xiàn)對不同波長光子的高效吸收。

　　從能量轉(zhuǎn)換理論來看，量子點可通過多重激子產(chǎn)生效應(yīng)，使單個高能光子激發(fā)多個電子 - 空穴對，大幅提升光電轉(zhuǎn)換效率。這一理論突破為新一代高效太陽能電池的研發(fā)提供了核心思路，目前相關(guān)研究已證實量子點太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率顯著優(yōu)于傳統(tǒng)硅基太陽能電池。

　?。ㄈ┥镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域的理論創(chuàng)新

　　量子點在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，基于其可調(diào)控的發(fā)光性能與長熒光壽命兩大核心理論特性。[3]高分辨率生物成像技術(shù)對探針材料的核心要求是發(fā)光穩(wěn)定、穿透性強且定位精準，量子點恰好滿足這些理論需求。

　　在理論應(yīng)用中，科學(xué)家可通過表面修飾技術(shù)對量子點進行功能化改性，使其特異性結(jié)合細胞、分子或組織，借助其穩(wěn)定的發(fā)光特性實現(xiàn)生物體內(nèi)目標物的標記與追蹤。這一技術(shù)為生物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能的動態(tài)研究提供了全新視角，在疾病早期診斷、藥物作用機制研究等領(lǐng)域具有重要理論價值。

文章來源：《安徽科技報》http://00559.cn/w/qt/35317.html