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量子點應用遍及全球奪諾貝爾化學獎 台灣科學家：是單分子研究與光電產業的科學基礎

發稿時間：2023年10月4日

發稿單位：台灣科技媒體中心

今（2023）年的諾貝爾化學獎，由蒙吉．巴文迪（Moungi G. Bawendi）、路易斯．布魯斯（Louis E. Brus）及阿列克謝．葉基莫夫（Alexei I. Ekimov）獲得殊榮，表揚三位得主在發現及合成量子點的貢獻。台灣科技媒體中心邀請到四位專家解析，專家認為，三位諾貝爾化學獎得主奠定了量子點研究的基礎，為奈米技術創造革命性的發展。

國立陽明交通大學應用化學系副教授郭俊宏說明三位化學獎得主研究的粒子大約是2奈米到10奈米間，技術原理是量子點的大小不同，會決定量子點發光特性的差異，就像可見光波長不同，我們肉眼所見的顏色就不同。郭俊宏說依據國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC）的定義，小於一百奈米的粒子就有機會產生量子效應，改變能帶結構與能帶間的能隙能量。

郭俊宏舉例，大塊的金屬一般不會放光，但尺寸縮小到奈米尺度會因為量子效應而發光，符合葉基莫夫和布魯斯觀察的量子現象。早期研究奈米材料遇到的困難是難以控制每個粒子的均勻度，巴文迪主要貢獻的是開發了可穩定合成量子點的方法，現在已有許多應用。

國立臺灣大學化學系教授兼新興物質與前瞻元件科技研究中心主任周必泰說明，其實奈米粒子很早就存在於日常生活，但一直沒被發現，是在1980至1985年間顯微技術突破，因為可觀察到量子點，才開始蓬勃發展。周必泰指出，科學家先是在半導體低溫實驗中發現有發光現象，布魯斯領導團隊做基礎研究與應用。最著名的就是在鎘和硫的半導體上發現低溫會發光，且不同大小的尺寸發光顏色會不同。

周必泰說大約十幾年前，布魯斯來過台大物理系辦的研討會，布魯斯話不多但思路敏捷，其實布魯斯原本研究質子的穿隧效應等基礎科學，當發現量子點發光後，布魯斯曾經猶豫到底要繼續做基礎質子穿隧研究還是要做量子點研究。周必泰認為布魯斯可以得獎，是因為他做出量子點的起始研究，以及理論的推導。現在的量子點研究是從布魯斯的經典研究發展出來，而真正做到常溫可以改變不同放光顏色的是巴文迪利用界面活性劑包覆量子點而得，現在全世界都在應用。

周必泰舉例說明量子點的應用之所以方便，是因為有機材料要做到放出一系列特定顏色的光需要詳加設計，且可能需要幾年時間才能達到需求，然而量子點可在攝氏220度左右高溫達成，並且在短短數分鐘，看到想要的發光顏色立刻冷卻化學反應，就可以得到不同尺寸的量子點及相對的發光顏色，而且發光強度不僅比一般有機染料強，且放光顏色很精準，顏色比有機染料鮮明非常多。

周必泰認為量子點的研究奠基了許多基礎及應用研究，在基礎方面涉及尖端的單分子研究，在應用方面是光電產業的科學基礎，未來有可能幫助光傳導電的領域發展。周必泰補充，量子點其他的應用還有太陽能電池、QLED電視等，全球QLED發展很快，但台灣還沒跟上，相當遺憾。

中央研究院應用科學研究中心研究員兼智慧生物工程專題中心執行長陳培菱分享以前自己的指導教授是貝爾實驗室的無機材料研究負責人，他們想嘗試可否用無機材料做出不同顏色的電話，所以布魯斯才開始研究顏色和粒子大小的關係，當時奈米科技的研究有很多方向，量子點是其中一個開花結果的研究。

陳培菱提到得獎者之一巴文迪的嚴謹研究，巴文迪發現用不同溫度合成量子點，會控制讓量子點的大小，導致發出不同顏色的光。在很多科學家投入幾十年，才開發出讓量子點溶於水的技術，也才可用在生物醫療，例如醫師不清楚腫瘤的邊緣時，用量子點染色癌細胞可以協助標示，幫助醫生看到發光的邊緣位置。但是陳培菱也說因為量子點使用的元素有毒性，生物醫療上有許多顧慮，仍需要突破。

國立清華大學化學系教授黃暄益以自身研究為例，提到量子點的研究困難在於很難控制粒子的大小並且大量生產，每一次做出來的粒子大小必須一致，而黃暄益做的研究是控制粒子表面形狀，因為其實量子點的晶體並非都是圓形，如果還可以做出很小尺寸又有不同形狀的粒子，這是另外一個可以控制發光顏色的方法。