量子點(diǎn)，現(xiàn)在小學(xué)生都會(huì)合成

量子點(diǎn)看似性質(zhì)奇特，其實(shí)合成一點(diǎn)也不高大上，已經(jīng)是‘飛入尋常百姓家‘的簡(jiǎn)單材料。 萬(wàn)物皆可制備成量子點(diǎn)，尤其是鈣鈦礦量子點(diǎn)，備受關(guān)注的原因之一就是合成極其簡(jiǎn)單。 如下圖，這種量子點(diǎn)的合成，可以說(shuō)‘有手就行’，方便給小學(xué)生做科普，既簡(jiǎn)單又酷炫。

具體步驟：將量子點(diǎn)的原料溶解在極性溶劑中，然后將少量的溶劑快速加入到非極性溶劑中，這時(shí)候過(guò)飽和度快速增大，產(chǎn)生形核，可以通過(guò)攪拌、溫度、配體等來(lái)控制形核-長(zhǎng)大速率，制備出不同尺寸的量子點(diǎn)材料。

上述的合成方法是屬于化學(xué)法合成量子點(diǎn)，這種將原子級(jí)別的原料組裝成幾納米尺寸的量子點(diǎn)，是屬于自底向上（bottom-up）方法，這種方法的先驅(qū)是今年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Louis Brus，下圖是通過(guò)這種方式合成的量子點(diǎn)TEM圖像。

對(duì)應(yīng)的另一種合成方法——自頂向下（top-down），從塊體材料出發(fā),原料尺寸大，通過(guò)光刻等手段將其‘裁剪‘為量子點(diǎn)尺寸，但是這類(lèi)量子點(diǎn)通常尺寸較大,為 50-100 nm，這種方法也比較貴

18年前的量子點(diǎn)發(fā)Nature能沖院士

雖然現(xiàn)在量子點(diǎn)的合成已經(jīng)很成熟，但是18年前還是一片藍(lán)海。某位美國(guó)院士說(shuō)破：在科學(xué)上的探索就像在原始森林里探險(xiǎn)，收獲大的，是那種能爬上高樹(shù)的頂端通觀全局，找到最有潛力的方向，再回到地面披荊斬棘，向前沖鋒的人。

在18年前，一篇Nature橫空出世。李亞棟老師于2005年在《Nature》雜志上發(fā)表了一篇開(kāi)創(chuàng)性的研究論文，提出了一種簡(jiǎn)單而高效納米晶合成的LSS法（Liquid-Solid-Solution）。這項(xiàng)研究填補(bǔ)了當(dāng)時(shí)量子點(diǎn)合成方面的重要空白，對(duì)納米材料合成領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。 LSS的合成操作相當(dāng)簡(jiǎn)單，屬于‘大老粗‘的辦法，但是越簡(jiǎn)單的越實(shí)用，能沖頂刊！LSS發(fā)方法就是依次將一定量水相原料（solution，S相)、固相原料(solid，S相)以及乙醇和亞油酸的混合液(liquid，L相)加入水熱釜，混合攪拌，在一定溫度下水熱反應(yīng)就可以得到量子點(diǎn)了。下圖是Nature正文圖。

https://www.nature.com/articles/nature03968#Sec2

這種‘大老粗‘的辦法，其實(shí)是非常巧妙的構(gòu)造了兩個(gè)界面，用來(lái)控制‘形核-長(zhǎng)大’的反應(yīng)速度。通過(guò)設(shè)計(jì)配體和溶劑，非常絲滑地將產(chǎn)物分離到底部?？偟膩?lái)說(shuō)，LSS體系靈活度非常高，普適性強(qiáng)，產(chǎn)物易分離，是一種非常實(shí)用的合成方法。

特別值得一提的是，這篇具有劃時(shí)代意義的《Nature》論文不僅僅引領(lǐng)了納米材料合成的新方向，目前已經(jīng)被引用2368次，這也為李亞棟教授贏得了高度認(rèn)可。在2011年，李亞棟教授當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。

看看四十年前諾獎(jiǎng)級(jí)別工作

諾獎(jiǎng)的滯后性一直受人詬病，Bawendi大牛的量子點(diǎn)神作已經(jīng)是30年前了，等諾獎(jiǎng)等了30年。

Bawendi教授1961年3月出生于法國(guó)巴黎，Bawendi教授1982年本科畢業(yè)于哈佛大學(xué)，1988年博士畢業(yè)于芝加哥大學(xué)。博士畢業(yè)之后經(jīng)過(guò)在貝爾實(shí)驗(yàn)室兩年的博后階段訓(xùn)練，入職于麻省理工學(xué)院。1995年成為副教授，1996年成為正教授，，授2002年成為美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)會(huì)士、2004年成為美國(guó)人文與科學(xué)學(xué)院院士、2007年成為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，2023年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 下面這篇文章就是Bawendi大神的1993年JACS神作，目前已經(jīng)被引用12000次。

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja00072a025

太經(jīng)典了，大家的合成方法大多都是參考了這篇文章，他的經(jīng)典方法如下圖所示：

今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)第二位獲得者是Louis Brus，他首次證明了量子點(diǎn)的量子效應(yīng)不是無(wú)限的，受限于激子波爾半徑，隨著量子點(diǎn)的尺寸變化而變化。

今年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者第三人就是Alexey I. Ekimov，他是美國(guó)納米晶體技術(shù)公司前首席科學(xué)家。Alexey I. Ekimov在1985年發(fā)表了關(guān)于‘量子尺寸效應(yīng)’的文章，可以說(shuō)是他定義了量子點(diǎn)。

君生我未生

量子點(diǎn)領(lǐng)域出了很多很多大牛，但是諾獎(jiǎng)只給三個(gè)人，所以晚一點(diǎn)可能就錯(cuò)過(guò)了。 就像朗道，他晚出生了一二十年，沒(méi)能趕上物理學(xué)史上最輝煌的時(shí)期，對(duì)此朗道自己也十分遺憾，朗道曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：漂亮姑娘都和別人結(jié)婚了，我只能去追求那些不太漂亮的了。這個(gè)漂亮姑娘指的就是量子力學(xué)。

量子點(diǎn)領(lǐng)域的大牛之一，Dmitri V. Talapin，芝加哥大學(xué)化學(xué)系教授，他出生在蘇聯(lián)，在白俄羅斯長(zhǎng)大，2002年在德國(guó)漢堡大學(xué)獲得博士學(xué)位（有點(diǎn)晚），隨后在IBM沃森研究中心從事博士后工作。從2005年到2007年，他是勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，并于2007年加入芝加哥大學(xué)。 他將青春都獻(xiàn)給了量子點(diǎn)，目前已經(jīng)發(fā)表超過(guò)10篇Science文章，Talapin具備足夠的天賦和努力，但是沒(méi)有趕上量子點(diǎn)最開(kāi)始的芳華，錯(cuò)失諾獎(jiǎng)。

下圖是他對(duì)最近在Nature Materials上發(fā)表的News文章，再次介紹了量子點(diǎn)這一‘人造原子’的獨(dú)特性質(zhì)。

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01652-8