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一旦物质的大小达到百万分之一毫米级别，奇怪的现象——量子效应，就会开始出现，挑战我们的直觉。你会像电影《绿野仙踪》中的多萝西一样：当一场强大的龙卷风席卷了她的房子后，她推开门，一切都改变了——她进入了一个神奇的“彩色世界”。
当粒子直径仅几纳米时，其颜色取决于粒子的大小。
图片来源：诺贝尔奖官网
假设一场魔法龙卷风也能席卷我们的生活并将一切缩小到纳米尺寸，那我们必然也会收获和多萝西一样的惊讶。但世界也就此变得五光十色：小小的金耳环可能会突然发出蓝色的光芒；同样材料的金戒指则会发出红宝石样的光芒；如果我们尝试使用燃气灶煎东西，完全不同火焰可能会让煎锅融化；家里的白色墙壁则会不停产生大量活性氧。
上面的异想场景告诉我们，在纳米世界中，事物的展现可能怪异而迷人。
凭借获得2013年诺贝尔化学奖的三位先驱的工作，现在人们，已经能够“操控”纳米世界的一些奇特特性了。
但在展开这些美丽描述之前，让我们先来揭开今年诺贝尔化学奖的“艰难之路”。
付诸实践？当时的技术还不行
科学家其实很早就知道，理论上纳米粒子中可能会出现与尺寸相关的量子效应。早在1937 就已有此预测，无数科学家为之着迷，并努力尝试在现实中展示它们。但这说起来容易做起来难，因为他们需要“雕刻”一个比针头小一百万倍的结构。
在当时，几乎不可能在纳米尺寸上完成。因此也很少有人相信这些知识会被付诸实践。
尽管如此，在 20 世纪 70 年代，研究人员还是有所突破。他们利用一种分子束，在块状材料上制造出了一层纳米级厚度的涂层。组装完成后，他们发现该涂层的光学特性可以随其厚度的变化而变化，这一观察结果与量子力学的预测相吻合。
在这一验证中，研究人员需要超高真空和接近绝对零度的温度，条件可谓十分严苛。看起来，未来的研究之路也将十分艰难。
柳暗花明，彩色玻璃带来转折
然而，科学时不时会带来意想不到的结果，这一次，转折点就出现在对一项古老发明的研究上：彩色玻璃。
彩色玻璃有数千年历史，很早期的玻璃制造商就会添加了银、金和镉等物质，以在不同的温度下生产出色泽美丽的玻璃。
正因为此，当物理学家刚开始研究光的特性时，彩色玻璃就派上用场了——可用它来滤掉特定波长的光。物理学家也开始自行制造玻璃，并由此获得了重要的发现：一种物质就可以产生具有多种不同颜色的玻璃，而具体会产生哪一种颜色，取决于加热程度和冷却方式。他们还证明，颜色的形成来源于玻璃内部形成的颗粒，并且可形成的颜色取决于颗粒的大小。
时间到了20世纪80年代初，阿列克谢·叶基莫夫成功地在有色玻璃中创造出依赖于尺寸的量子效应，其颜色来自氯化铜纳米颗粒，他的研究证明，颗粒尺寸会通过量子效应影响玻璃的颜色。
这是科学家首次成功地刻意制造出量子点。
出现变化？这是量子效应
几年后，路易斯·布鲁斯成为世界上第一位证明流体中自由漂浮粒子的尺寸也依赖量子效应的科学家。
布鲁斯当时在美国贝尔实验室工作，长期目标是利用太阳能实现化学反应。他的研究需要使用到硫化镉颗粒，而这种颗粒可以捕获光，并利用其中的能量来驱动反应。
布鲁斯有时会将这些颗粒做得非常小以方便实验。但有一次，他发现了奇怪的事情——当他将它们放在实验台上一段时间后，它们的光学特性发生了变化。他意识到，这可能是因为颗粒变大了。
多番证实后，和叶基莫夫一样，布鲁斯明白他观察到了与尺寸有关的量子效应。他于 1983 年发表了自己的发现。
无处不在，量子点应用超乎想象
到了1993年，蒙吉·巴文迪彻底改变了量子点的化学生产方式，产生了近乎完美的粒子。巴文迪和团队使特定尺寸的纳米晶体生长了出来，在这个过程中，溶剂可以令晶体的表面变得光滑且均匀。
这种高质量，密切关系到其实际应用。
因为它几乎决定了后来的我们仅通过改变粒子的大小，就可以精准确定粒子的发光颜色。
客厅里，电视屏幕显示图像所需的三基色光；书房中，LED灯的光线既能像日光一样充满活力，又能使其像暗淡灯泡发出的暖光一样平静；实验室里，生物学家将用量子点与生化分子相连接，以便绘制细胞和器官图谱；医院中，医生已开始研究用量子点追踪体内肿瘤组织。
“量子点具有许多迷人且不寻常的特性。重要的是，它们根据尺寸的不同而具有不同的颜色。”诺贝尔化学委员会主席约翰·克维斯特说。此时此刻，量子点正在前所未有的为人类服务，未来它们可为柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信作出巨大贡献。
而人类才刚刚开始探索这些微小颗粒的潜力，我们仿如踏入纳米世界的多萝西，还有无数未知等待探索。
发布时间：2023-10-07 10:01
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