日化品牌前十名日化产品的市场分析化学元素周期表原图

　　单一物资能发生差别色彩的玻璃，这个究竟惹起了Alexei Ekimov的爱好，由于这实践上是分歧逻辑的

　　单一物资能发生差别色彩的玻璃，这个究竟惹起了Alexei Ekimov的爱好，由于这实践上是分歧逻辑的。假如你用镉白色画一幅画，它该当一直是镉白色，除非你混入其他颜料。那末，为何一种单一物资会发生差别色彩的玻璃呢？

　　在纳米天下中，事物的确表示得不同凡响。一旦物资的尺寸开端以百万分之一毫米来权衡，奇异的征象就会发作——即量子效应，这应战了我们的直觉。2023年诺贝尔化学奖得主都是在纳米天下探究的前驱者。20世纪80年月初，Louis Brus和Alexei Ekimov各自独登时胜利缔造了量子点，这些细小的纳米颗粒的特征取决于量子效应。1993年，Moungi Bawendi改革了制作量子点的办法日化产物的市场阐发，使其质量极高，这是它们在现今纳米手艺中得以利用的主要条件早提。

　　研讨职员对这一洞见感应沉迷，并操纵数学东西胜利猜测了很多与尺寸相干的量子效应。他们还勤奋测验考试在理想中证实这些效应，但这提及来简单做起来难日化产物的市场阐发，由于他们需求雕琢出比针头还要小一百万倍的纳米构造。

　　量子点的发光特征被使用于基于量子点发光二极管 (QLED) 手艺的计较机和电视屏幕中，此中 Q 代表量子点。在这些屏幕中，蓝光是利用授与2014年诺贝尔物理学奖的高效能二极管发生的。量子点被用于改动部门蓝光的色彩，将其改变为白色或绿色日化品牌前十名。这就让电视屏幕可以发生所需的三原色光。

　　只要一个成绩：Brus用来制作纳米颗粒的办法凡是招致颗粒的品格不成猜测。量子点是细小的晶体（图2）日化品牌前十名，其时可以制作的量子点经常存在缺点，而且尺寸纷歧。人们能够掌握晶体的构成方法，使颗粒具有特定的均匀尺寸，但假如研讨职员期望溶液中的一切颗粒尺寸都差未几，他们必需在制作后对其停止分类。这是一个障碍开展的艰忧伤程。

　　这根本上是1970年月末的常识程度，本年的诺贝尔奖得主之一，Alexei Ekimov当时还刚得到博士学位，开端在苏联国立光学研讨所（S.I. Vavilov State Optical Institute）事情。

　　这是人类第一次胜利地决心制作出量子点，量子点是可以招致量子尺寸依靠性的纳米颗粒。1981年，Ekimov将他的发明揭晓在苏联科学期刊上，可是对铁幕另外一侧的研讨职员来讲这很难得到。因而，在1983年，本年的诺贝尔化学奖得主Louis Brus，当他成为天下上首个证实了流体中的自在颗粒存在量子尺寸依靠性的科学家时，他其实不晓得Alexei Ekimov的发明。

　　然后，经由过程静态地改动溶液的温度，Moungi Bawendi和他的研讨小构成功地发展出了特定巨细的纳米晶体。在这个过程当中，溶剂有助于付与晶体滑腻平均的外表。Bawendi消费的纳米晶体险些是完善的，发生了较着的量子效应。因为这类消费办法易于利用，它具有反动性的影响——愈来愈多的化学家开端处置纳米手艺的研讨，并开端探究量子点的共同征子。

　　风趣的是，究竟证实玻璃的光吸取会受颗粒巨细的影响。最大的颗粒与氯化铜凡是吸取光的方法不异，而颗粒越小，它们吸取的光越蓝。作为一位物理学家，Ekimov对量子力学定律十分熟习，他很称心想到本人察看到了一种巨细相干（尺寸依靠性）的量子效应（图3）。

　　因而，量子点为人类带来了浩瀚益处，而我们只是方才开端探究它们的潜力。研讨职员信赖，将来量子点可觉得柔性电子、细小传感器、更薄的太阳能电池以至加密的量子通讯做出奉献。有一件事是肯定的——我们另有许多关于使人惊讶的量子征象需求进修。因而，假如有一个12岁的多萝西在寻觅冒险，纳米天下将会供给很多风趣的时机。

　　虽然云云，在20世纪70年月，研讨职员胜利制作出这类纳米构造。他们利用一种份子束手艺，在大块质料的顶部制成了一层纳米厚的涂层质料。一旦组装完成日化品牌前十名，他们便可以展现涂层的光学性子怎样随其厚度变革，这一察看成果与量子力学的猜测符合。

　　图3 量子效应伴跟着微粒尺寸膨胀而呈现。当微粒直径只要几纳米时，电子的可用空间就会减少。这会影响微粒的光学特征。量子点吸取光，然后以另外一种波长发射。它的色彩取决于微粒的巨细。图源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

　　假如一场被施了邪术的龙卷风囊括我们的糊口，将统统减少到纳米尺寸，我们必定会像堪萨斯州的多萝西一样震动。我们四周将变得五彩斑斓，统统城市改动。

　　在攻读博士学位时期，Ekimo研讨了半导体——这是微电子学的主要构成部门。在这个范畴，光学办法被用作评价半导体质料质量的诊断东西。研讨职员用光映照质料并丈量吸光度。这能够提醒质料由何种物资构成和晶体构造的有序水平。

　　一样，量子点也被用于一些LED灯中，调理LED的色温。如许，灯光能够变得像白日日光那样布满生机，大概像惨淡的灯胆收回暖和的光辉那样沉寂。量子点光也能够在生物化学和医学中利用。生物化学家将量子点毗连到生物份子上，以标识表记标帜细胞和器官；大夫曾经开端研讨操纵量子点在体内追踪肿瘤构造；化学家则操纵量子点的催化机能来鞭策化学反响。

　　2023年诺贝尔化学奖授与“量子点的发明与分解”，这项成绩是纳米手艺与量子力学分离的范例，其使用更是与消费糊口亲密相干。本文系诺贝尔奖官方公布的获奖内容科普引见，用浅显易懂的方法理解量子点的标准依靠性和制作办法。

　　Bawendi并没有抛却。当他开端在麻省理工学院担当研讨卖力人时，他持续勤奋消费更高质量的纳米颗粒。严重打破发作在1993年，当研讨小组将构成纳米晶体的物资注入颠末加热且经心挑选的溶剂中之时。他们注入了了刚好构成饱和溶液所需的物资量，这招致细小的晶胚同时开端构成（图4）。

　　今年度化学诺贝尔奖的第三位得主决议处理这个成绩。Moungi Bawendi于1988年开端在Louis Brus的尝试室做博士后，该尝试室做了大批事情，勤奋改良消费量子点的办法。他们利用了多种溶剂、掌握温度和手艺，测验考试利用差别的物资构成构造有序的纳米晶体。他们制作的晶体的确变得愈来愈好，但仍旧不敷幻想日化品牌前十名。

　　Louis Brus当时在美国贝尔尝试室事情，他的持久目的是操纵太阳能来停止化学反响。为了完成这一目的，他利用了硫化镉颗粒，这类颗粒能够捕捉光芒，并操纵其能量来鞭策反响。这些颗粒悬浮于溶液中，Brus将它们做得十分小，由于如许能够增长化学反响发作的外表积；物资被切碎得越多，表露给四周情况的外表积就越大。

　　在研讨这些细小颗粒时，Brus留意到了一些奇异的征象——在他将颗粒放在尝试台上一段工夫后，它们的光学性子发作了变革。他料想多是颗粒增大了，为了证明他的料想，他制作了直径约为4.5纳米的硫化镉颗粒。然后，Brus将这些新制备的颗粒与直径约为12.5纳米的较大颗粒停止了光学性子的比力。较大的颗粒吸取的光波长与硫化镉不异，但较小的颗粒的吸取光波长向蓝光偏移（图3）。

　　你能够会在这里感应猎奇：“为何一个物资的吸光度略微向蓝光偏移会很主要？为何如许的发明云云惊人？”

　　假如你想理解这一发明的主要性，能够设想元素周期表忽然得到了第三个维度：一个元素的性子不只遭到电子壳层的数目和外层电子数的影响，并且在纳米标准下，还遭到巨细的影响。一个想要开辟新质料的化学家因而有了另外一个参数能够操纵——这固然激起了研讨职员的设想力！

　　图4 Bawendi制备尺寸同一的量子点的办法。Bawendi在热溶剂中注入了能构成硒化镉颗粒的物资，细小的硒化镉晶体立刻构成，而参加冷却剂使晶体截至发展，再进步溶剂温度时，晶体再次发展；工夫越长，晶体越大。和并图源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

　　这是一个严重打破，但这个尝试需求十分先辈的手艺。研讨职员需求超高真空度和靠近绝对零度的温过活化品牌前十名，以是很少有人意料到量子力学征象会被使用到实践中去日化品牌前十名。但是，科学偶然会带来意想不到的工具，这一次，迁移转变点是由对一项陈腐的创造——彩色玻璃的研讨带来的。

　　实践上，光学变革提醒了此时物资的特征曾经完整改动日化产物的市场阐发。一个物资的光学性子由其电子所掌握。这些电子也掌握着物资的其他性子，比方其催化化学反响的才能或导电才能。因而，当研讨职员发明光子吸取发作变革时，他们在准绳上以为他们正在研讨一种全新的质料。

　　Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov因发明和开展量子点（quantum dots）而荣获2023年诺贝尔化学奖。这些细小的颗粒具有共同的性子，如今正在电视屏幕和LED灯中披发光辉。它们能够催化化学反响，其亮堂的光也可觉得外科大夫照亮肿瘤构造。

　　和Ekimov一样，Brus意想到他察看到了与尺寸巨细相干的量子效应。他在1983年揭晓了这一发明，然后开端研讨由其他物资制成的颗粒能否有相似的成果。成果是不异的：颗粒越小，吸取的光越倾向蓝光。

　　因为这些奖得主的事情，人类如今可以操纵纳米天下的一些奇异征子。量子点如今已出如今贸易产物中，并使用于很多科学范畴，从物理学到化学，再到医学——不外，我们如今会商这些还为时过早，先让我们揭开2023年诺贝尔化学奖的背后故事。

　　“Toto，我有一种觉得我们不再在堪萨斯了”，这是影戏《绿野仙踪》中的典范台词。一场强力龙卷风囊括飞了多萝西的屋子，十二岁的她晕倒在床上，而当屋子再次着陆，多萝西带着她的狗Toto走出门口时，统统都变了。忽然之间，她置身于一个奇异而颜色丰硕的天下。

　　我们的金色耳饰忽然会闪灼着蓝色，而我们手指上的金戒指则会闪烁着宝石红。假如我们试图在煤气灶上炸工具，煎锅能够会熔化。而我们的红色墙壁（油漆中含有二氧化钛）将开端发生大批的活性氧物资。

　　30年后，量子点曾经成为纳米手艺东西箱中主要的一部门，并出如今贸易产物中。研讨职员次要操纵量子点来发生彩色光。假如用蓝光映照量子点，它们会吸取光并发射出差别的色彩。经由过程调解粒子的巨细，人们能够包管它们会收回切当色彩的光（图3）。

　　在19世纪和20世纪，当物理学家开端研讨光的光学特征时，玻璃匠人的常识被操纵起来。物理学家利用彩色玻璃来过滤特定波长的光。为了优化他们的尝试，他们开端本人制作玻璃，这带来了主要的了解。此中一个发明是，单一物资能够发生完整差别色彩的玻璃。比方，硒化镉和硫化镉的混淆物可使玻璃酿成黄色或白色，详细取决于玻璃的融化温度和冷却方法。终极，他们可以证实色彩来自玻璃内部构成的颗粒，而色彩取决于颗粒的巨细。

　　Ekimov熟习这些办法，因而他开端用这类办法查抄有色玻璃。颠末一些开端尝试后，他决议体系地制作增加了氯化铜的玻璃。他将熔融的玻璃加热到500℃到700℃的温度范畴内，加热工夫从1小时到96小时不等。一旦玻璃冷却并变硬，他对其停止X射线查抄。散射的射线显现在玻璃内构成了细小的氯化铜晶体，而制作历程影响着这些颗粒的巨细。在某些玻璃样本中，它们只要约2纳米巨细，在其他样本中可达30纳米。

　　当Alexei Ekimov和Louis Brus制作出第一个量子点时，科学家就曾经晓得它们在实际上能够具有不服常的特征。在1937年，物理学家Herbert Fr?hlich曾经猜测到纳米颗粒的举动不会与一般粒子一样。他从出名的薛定谔方程推导出实际成果，该方程表白当粒子变得十分小时，材猜中的电子的空间变得更小。大概能够说，既是波又是粒子的电子被挤在一同。Fr?hlich意想到这将招致质料性子的宏大变革。

　　最陈腐的彩色玻璃的考古发明能够追溯到几千年前。玻璃工匠经由过程实验逐步了解了怎样建造出七彩缤纷的玻璃。他们增加了银、金和镉等物资，并测验考试用差别的温度来制作超卓度差别的斑斓玻璃。