本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
本月早些时候，《技术评论》报道称，罗切斯特大学的科学家已经找到如何使用称为量子点的纳米晶体来提高人工光合作用的持久性。人工光合作用顾名思义，就是一种利用阳光中的能量，结合水和空气，通过将吸光纳米粒子混合到其中来生产燃料的方法。
但这些纳米粒子在暴露于阳光下时往往会非常快地劣化，坦率地说，这相当程度上破坏了人工光合作用的目的。这就是量子点发挥作用的地方：它们可以吸收光而不会劣化，而且可能也更便宜，因为它不需要贵金属。
这并不意味着没有挑战：《技术评论》的文章指出，该系统产生氢气但不产生氧气——而人工合成需要两者。而且，当他们最终设法同时产生两者时，他们需要想办法在单独的容器中进行，因为氢气和氧气容易爆炸——这与他们通过人工合成寻求的能量类型不太一样。
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但这只是这些小巧玲珑的纳米晶体的无数实际应用之一。正如我在2007年和2011年的文章中写道，量子点是直径仅为几纳米的微小半导体颗粒。这就像取一块硅片，一遍又一遍地将其对半切割，直到你得到一块只有大约一百到一千个原子的微小碎片。这就是量子点。数十亿个量子点可以放在针头上。
当涉及到半导体时，尺寸很重要：通常越小越好。由于量子点非常微小，因此它们具有一些不寻常的材料特性——特别是重要的电学和光学特性——这归功于在较小尺寸尺度下出现的量子效应，因此它们引起了研究人员的极大兴趣。从根本上说，这是有趣的物理学，并且它提供了大量潜在的有利可图的实际应用。
将半导体放在合适的背景下进行理解是有帮助的，即恰好介于绝缘体和导体之间。绝缘体原子贪婪地囤积它们的电子，就像守财奴或过度保护的父母一样，很少与它们分离，而导体原子就像挥金如土的人或过度放纵的父母，让它们的电子到处乱跑（这也很好，否则我们就永远无法享受电流的好处）。
半导体原子则刚刚好。它们不会随意地乱扔电子，但也不会紧紧抓住它们不放。在半导体中，需要一点能量提升才能使电子脱离束缚，当电子挣脱束缚时，它会在原子的电子结构中留下一个“空穴”——如果你愿意的话，可以把它看作一个空位，另一个电子迟早会来填补。因此，一个光子撞击半导体原子并产生一个电子-空穴对。这使得电子能够像电流一样流动。而电流 = 功率。
早在1990年，欧洲研究人员就设法使多孔硅发出红光，并认为这归因于与量子点小尺寸相关的“量子限制”。在10纳米或更小的尺寸下，电子和空穴被挤压到如此小的尺寸，以至于这改变了电子和光学性质；坦率地说，这是大多数纳米材料的关键特征。
从那时起，事情像滚雪球一样发展起来，科学家们制造了更多的硅点（以及后来的锗点），这些点发出许多明亮、漂亮的颜色，特别是非常理想的绿色和蓝色范围。量子点越大，光线越红，并且随着量子点尺寸的缩小，发射的光波长变得越来越短——能量也越高。这被称为“可调性”，因为你几乎可以通过简单地改变量子点的尺寸来定制量子点以发射你恰好需要的任何频率的可见光，以用于给定的应用。
最明显的应用是使用量子点作为基于荧光的生物传感器中用于标记反应剂的有机染料的替代品。你知道，当例如存在有害毒素时，染料开始发光。但是，使用有机染料可用的颜色数量有限，并且它们往往会快速降解。量子点提供更广泛的颜色光谱，并且随着时间的推移显示出非常小的降解。
去年，俄亥俄州立大学的工程师“发明了一种新型纳米粒子，该粒子可以发出不同颜色的光来标记生物医学测试中的分子。” 秘诀是什么？量子点！这项突破——在《纳米快报》的在线版中，由俄亥俄州立大学的杰西卡·温特和阮刚撰写的一篇论文中描述——涉及用更小的量子点填充微小的塑料纳米粒子，以用于生物医学标记应用。如果生物分子发出荧光，则更容易在显微镜下观察到它们，并且量子点比用于此目的的其他荧光分子发出更亮的光。
它们还会“闪烁”，即闪烁和熄灭，如果许多量子点聚集在一起，这种效果就不太明显。这种行为有利有弊。缺点：它会“打断人们试图在显微镜下跟踪的移动粒子或标记分子的轨迹”。优点：当闪烁停止时，科学家们知道他们已经达到了聚集量子点的临界阈值。
温特和阮为解决这个问题所做的是通过将不同颜色的量子点填充到相同的胶束（一种通常用于实验室实验的基于聚合物（塑料）的球形容器）中，将“缺点”转化为另一个“优点”。他们的测试表明，这样做会导致胶束稳定发光。例如
“那些只填充红色量子点的胶束发出红光，而那些填充绿色的胶束发出绿光。但是他填充了红色和绿色量子点的胶束在红色、绿色和黄色之间交替变化。当胶束内部的一个或另一个点闪烁时，颜色就会发生变化。当红点熄灭而绿点亮起时，胶束发出绿光。当绿点熄灭而红点亮起时，胶束发出红光。”“如果两者都亮起，胶束会发出黄光。黄色是由于我们眼睛对光的感知。这个过程与电视或电脑屏幕上红色像素和绿色像素靠得很近时相同：我们的眼睛看到的是黄色。”
连续发光使得更容易无间断地跟踪标记分子，并且他们还可以使用颜色变化来确定所述标记分子何时聚集。纳米粒子将非常适合微流体装置，并且有一天可以与磁性粒子结合使用，以增强医学成像，例如癌症检测。事实上，今年早些时候，《自然纳米技术》发表了一项研究的结果，该研究表明，对四只注射了这种微小发光晶体的恒河猴进行为期一年的观察，没有发现不良影响。
拥有所有这些颜色也意味着你可以用量子点制造发光二极管 (LED)，精确调谐到蓝色或绿色范围。
你还可以构建发出白光的量子点 LED，用于笔记本电脑或汽车内部照明。至于电子产品，可能性是无限的：例如，全光开关和逻辑门，速度提高一百万倍，功耗要求更低；或者，在更远的将来，量子点可以用于制造用于纳米电子学的微型晶体管。
另一个潜在的应用是太阳能电池。早在2007年，一篇CNET 文章报道称，量子点很可能是初创公司 Stion 正在开发的薄膜太阳能电池的“秘密成分”：“目前市场上大多数太阳能电池都使用硅从阳光中提取电力，并集成到玻璃基板中，这相对较重。”
量子点可以为太阳能电池带来什么？ 根据2007 年的 CNET 文章： “部分原因是由于其尺寸小，量子点对物理现象高度敏感，可用于捕获电子。由于太阳能电池板的工作原理是从阳光中晃动出电子并将它们转移到电线中，因此理论上量子点可以在太阳能电池板中很好地工作。”
这还不包括它们进一步促进人工光合作用的潜力。很高兴看到量子点再次在公共领域受到一些关注。
参考文献:
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