2023年諾貝爾化學獎是關於什麼的？

王雅文、王泰洲  譯

前言 (Intro)
(00:00-00:22)

就在幾個小時前，在製作這部影片時，諾貝爾化學獎揭曉了。今年的獎項頒給了 Alexey Ekimov、Moungi Bawendi 和 Louis E. Brus，以表彰他們對量子點 (Quantum Dots) 的貢獻和發現。觀看此影片的某些人，可能正在親眼目睹這種量子現象，所以讓我們來談談量子點及其運作原理。

這項技術是什麼以及它是如何運作的 (What is the tech and how it works)
(00:23-01:33)

你可能聽過一些關鍵術語，當量子理論敲開你臥室的門，並猛烈地將你從平靜的睡眠中吵醒，在你耳邊低語（低聲說出下面幾行）：
波粒二象性、量子疊加、海森堡測不準原理、能量量子化、波函數和機率，最後是量子糾纏。
當量子理論離開你的臥室時，你感覺髒髒的想去洗澡，但你可能也很困惑。那麼，我們至少可以幫忙第二部分！
在研究量子點時，我們最感興趣的術語是「能量量子化 (Quantization of Energy)」。所以，讓我們退後一步，想像一下粒子，就像一隻在沙發上發冷的貓。
這隻貓剛從午睡中醒來，想要跳到架子上，這樣牠就可以俯視你，並判斷你在呼吸還活著。不過，為了讓貓到達架子上，牠需要以正確的能量跳躍。能量太多，貓會飛過架子；能量太少，貓跳不起來。只有在滿足正確能量需求的情況下，貓才能跳到架子上，你可以想像每層架子都有自己的能量需求。剛才我們描述的就是能量的量子化，那麼它在量子點中是如何運作的呢？

(01:34-02:32)

在架子的情境下，架子的高度可以被視為能量需求，而在量子點中，量子點的尺寸產生了能量需求，讓我們看看為什麼。
正如瑞典皇家科學院發表的諾貝爾論文中所描述的，量子點既不是分子材料也不是塊狀材料，而是一種被稱為奈米級半導體晶體的新型材料。
半導體是具有中等電導率（因此是半電導率）的材料，半導體材料有一個重要特徵，就是它們的價帶和導帶之間具有帶隙。價帶對應於參與形成共價鍵的電子，而導帶中的電子相對自由並且可以參與導電。因此，當電子從價帶進入導帶時，材料就可以導電。然而，塊狀半導體的能階並未量子化，這意味著，我們之前描述的貓可以跳到架子上的任何地方。那麼，我們要如何在量子點中得到能量的量子化呢？

量子侷限效應 (Quantum Confinement)
(02:33-03:11)

在奈米尺度下，量子侷限效應將變得致關重要。透過限制材料的物理尺寸，我們也在各個維度限制了其中的電子。這種限制，導致了電子只能佔據被允許的能階，而且只要能量準確，就可以跳躍到其他被允許的能階。
因此，透過改變量子侷限的程度，或者換句話說，改變量子點的大小，我們可以改變能階之間能隙的大小。從畫面上的圖形可以一目了然。
好了，現在我們已經配備了必要的量子工具包，現在輪到你去敲量子理論的門了，對嗎？慢點小夥伴，我們先來解釋這些量子點是如何製造的。

量子點是如何製造的 (How quantum dots are made)
(03:12-04:05)

我們來到關鍵的 1993 年，當時 Moungi Bawendi 和他的專業團隊，開創了一種徹底改變量子點合成的方法。他們新穎的方法，產生了尺寸明確且光學品質無與倫比的量子點。
他們的合成方法，從有機金屬試劑的注入和快速熱解（物質在高溫下分解的化學過程）開始。簡而言之，這些試劑是含有金屬的有機化合物，而正是製造奈米粒子所需的基石。
將此混合物，引入具有顯著高沸點的熱配位溶劑中。熱量和試劑的結合導致了突然的過飽和，類似於突然用過多的鹽或糖使溶液飽和，並在精確的時間觸發成核現象或顆粒的初始形成。

(04:06-04:50)

伴隨注射的是，溫度的立即下降和前驅物（原始材料）的稀釋。這就像按下「暫停」按鈕一樣，有效地阻止了這些奈米粒子的生長。
但有趣的是，重新加熱到適合的溫度後，奈米粒子會在配位溶劑內繼續系統性的生長，而正是這些配位溶劑確保了所形成的粒子，在液體環境中能夠保持穩定。
下一步就像篩選黃金一樣。透過純化過程，選擇具有最理想特性的粒子。篩選結果也如同黃金一般引人注目，其所產出的奈米粒子，不僅具有一致的尺寸和形狀，而且還具有特殊的表面屬性，使它們與光交互作用的效率非常高。

應用領域 (Applications)
(04:54-05:23)

QLED 電視上每一種豐富的色調？這就是量子點的作用，透過尺寸驅動色彩激發來操縱光，使我們的娛樂在視覺上令人振奮。正如我們之前所討論的，在量子點中，量子點的大小決定了這些能階。較小的量子點具有較高能階的電子。當被激發時，它們的放光會偏向光譜的藍色端。相反地，較大的量子點具有較低能階的電子，這導致了偏向光譜紅色端的放光。

(05:24-06:10)

在醫學界，量子點是開創性的進步，這在十年前幾乎是天方夜譚。讓我們更深入地研究一下。癌症手術一直充滿挑戰。最大的障礙之一，是區分健康組織和癌症組織。但量子點正在改變這種說法。
這些奈米粒子，可以被設計成與腫瘤細胞的特異性結合。一旦結合，它們就可以用特定的光波長照射，使腫瘤組織發光。這種發光為外科醫生提供了清晰的視覺，來區分健康組織和癌症組織。結果呢，在改善患者的治療效果和減少術後併發症方面，這種方法具有巨大的前景。

(06:11-06:50)

認為可彎曲嗎？量子點也正在塑造軟性電子 (flexible electronics) 產品的未來。傳統的電子元件是剛性的，限制了它們的應用。量子點，由於其奈米級尺寸和發光能力，是整合到軟性基板的絕佳候選者。透過將量子點嵌入聚合物或其他軟性材料中，我們完成的電子設備，不僅可以彎曲，還可以顯示資訊或根據輸入改變屬性，同時保持其功能完整性。

(06:51-07:38)

感測器呢？它們持續發展中，但量子點是如何發揮作用的呢？我們可以從Gill等人的論文中，看一個量子點感測器的簡短範例，他們用量子點作為殺蟲劑的感測核心。
畫面上，我們可以看到一種稱為抗乙醯膽鹼酯酶 AChE 的酶，它恰好是產生過氧化氫 H₂O₂ 的催化級聯反應的一部分。量子點感測器被修改為抗生物素蛋白封端，並且來自量子點的螢光被過氧化氫抑制。
然而，在存在農藥的情況下，AChE受到抑制，過氧化氫濃度會降低，使量子點發出更亮的螢光。透過增加農藥的濃度，我們可以得到更好的螢光，如圖所示。總的來說，這使我們能夠使用量子點作為化學感測器。

結語 (Outro)
(07:38-07:54)

至此，你已經看到本影片的結尾，感謝你的觀看。請在評論中告訴我們，量子點是否值得贏得諾貝爾獎，或是該給另一個發現。請務必按讚、訂閱並與你的朋友和家人分享。我們下一篇再見。