warning！量子点来袭

材料牛注：2015年的九月份，荷兰的著名电子公司飞利浦推出了全新的电脑显示器，这个显示器可以发出极其绚丽的色彩，而其中的奥秘则来自于量子点这个神奇的物质。量子点其实在显示器中被用做一种纳米半导体器件，可以发出多样的颜色。

飞利浦推出的这款显示器是第一款采用量子点技术的显示器，但2013年索尼公司已经通过量子点技术来提高其电视机背光的效果，随后的几个月量宏公司宣布将在2016年的手机产品中使用量子点技术的摄像头传感器。量子点使得这些屏幕具有较高的分辨率，并且覆盖色谱面更广的同时成本也比现有设备变的更低。

俄罗斯的物理学家Alexey Ekimov在1981年第一次观察到了量子点的存在(1)。在整个二十世纪八十年代，尤其是到了九十年代随着科学家们对于材料的研究，科学界对于量子点的了解进一步加深。因为量子点表现了部分原子的特性，所以通过原子物理的研究成果可以更好的对量子点进行探索。到了本世纪之交，量子点的技术的研究实现了多个学科的结合，从物理领域走向了其他更多的方向。

目前，量子点技术似乎已经成为显示技术主流，而它首次被发现是在35年之前，物理学家和工程师对于这种物质充满了好奇，并在实验室中进行探究，不断的推进着它的发展。在这期间内，量子点对于普通民众来说还是很陌生的，对于科学家而言这同样是一个革命性的创新性研究。

其实量子点就是一种微小的晶粒材料，或者说是用做一种纳米半导体器件。它的直径范围为一个纳米到十几个纳米之间。当通过电流或者光照后，一个量子点会发出明亮的单色光。

除此以外，量子点在半导体光谱中占据了一个神奇的位置。由于包括了较少的原子（1000~100000个）。这种数量的特性决定了这些量子点在实验中可以进行有效利用，但是由于体积过小，它们表现出的量子特性与原子相关。量子点是一个典型的“人造原子”：较小的半导体粒子可以量化它的电荷和能级。量子点的电子运动在三维方被限制，因此其处于“零维”上。改变量子点的大小可以控制它吸收和释放能量。

量子点的这种特性可以在光电产业中发挥作用。一些研究者认为量子点可以提高发光二极管和太阳能电池的效率，也可以用来制造降解涂料。还有一些人认为量子点可以作为量子计算机的一个“比特”单位来储存数据。此外，量子点在光子发射器中也大有作为，可以建立量子光信号的通讯网络（2）。量子点的优势也能延伸到其他领域：生物学家可利用量子点标记一个细胞或者更大的样本，可以发现肿瘤细胞的受体并进一步进行标记（3）

量子阱的故事

目前量子点的研究集中在量子力学中的量子阱系统（就像取水的水井设备），可以通过人工设计来控制电子的移动。这种系统在光电电子器件中的地位十分重要，尤其是激光器中的应用。此外，这种系统具有不同禁带宽度的半导体材料的结构，在这种结构中中心层具有最小的带隙（带隙：电子从一个能级跃迁到另一个能级跳跃所需的能量）。正因如此，在量子阱中外层的较大的间隙会阻碍电子跃迁，并且限制在中间层的电子，这种结构进一步限制了中间层的能量。通过控制中间层的大小，科学家们在二十世纪七十年代发现他们可以调节电子发射出的光子，进而改变相应波长的对应颜色。这个发现导致了量子阱激光器的发明。量子点的量子限制除了电子被限制在每个方向上外，其他的和量子阱系统类似。

“量子点就像量子力学中最简单的力学系统，无限深势阱，因为电子在三个空间的维度上都受到限制，这也意味着量子点只能在特定的环境下表现出特定的性质，比如不同的颜色。” 来自美国华盛顿海军实验室的光电量子方向的物理专家Daniel Gammon向人们作出解释道。

当一个量子点受到电刺激或光刺激后，其中的电子会发生跃迁到更高的能级。而当电子返回到基态能级（能量最低的状态），量子点会释放出单色光。光的颜色取决于量子点的大小、组成和晶体形状。其中，比较的晶体会在光谱中发出蓝色的光，而较大的晶体则会发出红的的光。因此，量子点可以比较容易的进行调整以产生特定的颜色。

癌症研究新思路

量子点的研究同样给生物研究提供了新思路。麻省理工学院的科学家Moungi Bawendi，他同样对于量子点的制造和多种用途进行了研究，他表示道，量子点作为研究细胞和分子结构方法，比其它类型染料稳定性更好。

十多年来，Bawendi教授和哈佛大学一名科研经验丰富的生化学家Rakesh Jain一起进行合作研究，Rakesh Jain在研究肿瘤微环境、血液循环系统和癌细胞的生长有很高的成就。众所周知，肿瘤可以以多种形式在人体中生存，肿瘤通过血管吸收养分，并通过释放化学物质来将癌细胞扩散到身体各处。Jain认为量子点会有助于进行药物设计并且可以通过血管直接到达肿瘤细胞(4)。目前的研究方法是向动物肿瘤细胞中注射大小不同的量子点。大小不同的量子点可以发出不同的颜色，可以通过观察进入肿瘤细胞颜色的不同，分析血管的尺寸大小。

“一旦你知道了路的宽度，你也自然可以知道汽车的大小。” Jain表示道。换言之，他在寻找人体纳米治疗的合适尺寸。同时，Moungi Bawendibe教授也表示道量子点可以高效的定位癌细胞，但是目前的化学试剂均有一定的毒性。

一些研究癌症的科学家们正在考虑通过使用发光点来辨别病理学中的癌症细胞，这些细胞在其表面有特定的受体，这些受体使得癌细胞容易成为受攻击的靶细胞。还有人认为量子点甚至可以在药物传递中扮演重要角色，把量子点进行处理并直接送到癌细胞是一项新的方法。

然而，Bawendi教授对于量子点提出了严重的担忧，由于制备过程不完善，因此可能有残存的重金属毒素进入人体，这是目前研究的一项重要挑战。“虽然并没有什么是绝对无毒的，但是今天让量子点进入人们的生活是不合适的。”Bawendi教授建议道。目前，尽管量子点可以从多种不同的半导体中获得，但是它仍然需要许多重金属元素，例如铬元素，这种重金属元素对于人体有着很强的毒害作用。正因为如此，科学家们正在研发一种无毒的保护壳来防止量子点泄露，并进行一些动物实验来证明保护壳的持久性。

Bawendi教授把他的事业全部投入到量子点的研究中，创造了它们并且研发它们的新用途。最后，他感慨道：“在20世纪80年代和90年代，量子点是纯粹由好奇心驱使，并在量子力学的推动下不断发展，到了今天，量子点已经在电视里了”。
参考文献
（1）Ekimov AI, Onushchenko AA (1981) Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals. JETP Lett 34(6):345–349. Web of Science
（2） Heinze D, Breddermann D, Zrenner A, Schumacher S (2015) A quantum dot single-photon source with on-the-fly all-optical polarization control and timed emission. Nat Commun 6:8473. CrossRefMedline
（3） Fang M, Peng CW, Pang D-W, Li Y (2012) Quantum dots for cancer research: Current status, remaining issues, and future perspectives. Cancer Biol Med 9(3):151–163. Medline
（4）Stroh M, et al. (2005) Quantum dots spectrally distinguish multiple species within the tumor milieu in vivo. Nat Med 11(6):678–682. CrossRefMedlineWeb of Science

原文参考地址：http://www.pnas.org/content/113/11/2796.full

感谢材料人编辑部陈晓提供素材