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本身化学家研制出微型量子点光谱仪,另一头眼

发布时间:2019-08-18 19:26编辑:科学浏览(186)

    日前,清华大学电子工程系鲍捷研究小组首次利用量子点纳米材料阵列,成功研制出高性能微型“量子点光谱仪”。7月2日出版的《自然》杂志刊登了这项研究成果。该研究不仅革新了光谱仪的制作原理,还拓展了光谱仪的应用前景,成果有望贯通创新链和产业链。

    专业化学检测有望走进生活

    鲍捷:送给人类“另一只眼”

    来源:科技日报 2016-9-12 滕继濮


      当8月中旬“墨子号”的发射,让人仰望星辰憧憬着量子通讯的未来时,一项基于胶体量子点的突破性技术已脚踏实地多日——鲍捷及其团队研发的微型“量子点光谱仪”,已进入产业化冲锋阶段。

      光谱是物质的指纹,是人所不能分辨的物质指纹。肉眼凡胎的我们,认为两种颜色和状态一样的物质没区别,光谱却可见个中差异。光谱仪,是我们了解世界的一种手段,变小后,就能成为人类的“另一只眼”。

      很多研究胶体量子点的人,选择在前人研究基础上快速取得成果,功成名就。鲍捷拒绝“套路”,自己踩出了一条路,走得不急不躁,目的地是“颠覆”。

    被《自然》评价为“优雅”的成果

      1993年,歌手那英的《雾里看花》正式发行,彼时鲍捷10岁;2015年,身为清华大学电子工程系博士生导师的鲍捷,在《自然》杂志刊文,“借我借我一双慧眼吧,让我把这纷扰,看得清清楚楚明明白白真真切切”这句并不科幻的歌词,成真。

      鲍捷第一次走进公众视野,是去年7月,他在《自然》杂志发表论文《基于胶体量子点纳米材料的光谱仪》,向世人公布了一种基于胶体量子点纳米材料制作微型光谱仪的新方法。

      2010年,从布朗大学提前一年博士毕业的鲍捷,来到麻省理工学院莫吉·巴旺迪教授课题组做博士后,后者是世界胶体量子点研究的先驱。充分研究了胶体量子点的神奇后,鲍捷就有了利用这种材料造光谱仪的想法。

      “物质在宏观条件下,改变其大小,颜色不会发生变化。”鲍捷告诉科技日报记者,但当半导体材料变成纳米级别粒径后,其颜色会随着大小的变化而改变。这就是纳米尺度量子点的“波长与尺度的相关性”——一个量子点随着尺寸的不同,发出的光的波长也不同。经过三年多的研究,鲍捷找到了一套办法,利用这些材料在非常宽的光谱范围颜色连续而精细可调的特点,制造出微型的光谱仪。

      同期的《自然》杂志还刊登了美国西北太平洋国家实验室科学家的专题评论文章,文章说“这种优雅的将纳米技术与数码相机影像传感器集成的方法克服了多种现有技术所面临的困难”“将来,我们可能会看到微小的、高分辨率的量子点光谱仪在太空任务或家居智能传感器和物联网中被应用。”

      相比量子点微型光谱仪可能产生的“颠覆性”而言,《自然》的评价显然“优雅”了许多。

      “大事化小”,是核心原理革新的结果。已经存在了一百多年的传统光谱仪,因为光栅分光的物理原理限制,在实际中难以小于一本字典的大小。而鲍捷团队做的光谱仪,看起来更像是一枚手机芯片。

      “一种技术大幅度的量变,往往会带来革命性的质变。”鲍捷说。今天需要白大褂们在实验室内进行的专业分析,明天可能仅仅是拿出手机“扫一扫”,就可以进行食品安全检测;果实成熟度、甜度的检测;药品真假、毒品鉴别等。

    拒绝“套路”的冷峻“青千”

      POLO衫、工装短裤,初见鲍捷,你会惊讶于他的年轻。若在清华校内刚好向他问路,你第一句话一定是“同学,请问……”而非“老师,请问……”

      来课题组做博后的贾雁鹏,永远忘不了见到鲍捷的第一面。一个周末,楼道内没有人,电梯里出来一个跟自己差不多大的年轻人。贾雁鹏没注意,直到鲍捷问他,你就是贾雁鹏吧,他才反应过来:这就是跟我电话中联系的“青年千人计划”专家“鲍老师”啊!

      鲍捷声音不高,语速不快,气质冷峻。巴旺迪教授课题组以胶体量子点研究见长,当大部分人都专注于已经有一些既有成果的光伏电池、生物检测或量子点显示等领域时,他却另辟蹊径,选择了未曾有人尝试过的新型光谱仪的研制。走一条不同的路,意味着面临的困难更大更多,需要的勇气和毅力也更多,但似乎这就是这样气质的人干的事。

      “别人三年可能同时在做几个方向,鲍老师却专注于这一个方向。”课题组科研助理张大伟告诉记者。而研以致用,将其产业化也是目前鲍捷工作的一个重心。

      围绕这一核心技术,材料的制备、性质的研究、集成技术的开发、器件制作的工艺、在不同领域的应用……鲍捷方方面面都会关注到,还不断与医疗、手机等相关企业商讨合作方案。

      “冷峻,可能是有时鲍老师保持头脑和工作状态的一种方式。”张大伟说。记者了解到,在接受采访的那个下午之前,鲍捷与美国视频会议直到凌晨两点多,接着早起六点多又是开会,直到下午一点半见到记者。

      而得知鲍捷本科时曾是清华射击队队员之时,这气质似乎就更合逻辑了。

      张大伟说,别人说话时,鲍捷都沉默倾听,但他的大脑在飞速运转,然后给你提出犀利的问题、想出指导方案或者解决方向。

    “试图有业余时间”的导师

      “他生活中一点也不冷。”张大伟记得自己刚来课题组报道时,鲍捷对他生活百般关心,让初来北京的他倍感踏实。

      由于年龄相仿,鲍捷跟大家很容易“打成一片”,他业余时间偶尔会跟大家打打羽毛球。9月5日,里约奥运夺冠的中国女排来到清华,鲍捷也和大家一起前去祝贺。

      爱好广泛的鲍捷,一旦回到科研工作状态,那就是一丝不苟了。贾雁鹏说,每次跟鲍老师汇报,都要做120%的准备,以防被他问到手足无措。

      鲍捷基本上平板电脑不离身,常利用碎片时间记录安排工作。“包括等女排出场的时候。”张大伟说。

      这也引发了一个有意思的话题,课题组的小伙伴们从来没见过鲍捷发朋友圈,他们一开始以为是鲍捷屏蔽了他们,后来有好事者专门分析了鲍捷的微信界面后得出结论:鲍老师有微信,但从不发朋友圈。

      记者问鲍捷:“你有业余时间吗?”

      鲍捷笑答:“试图有。”

      “我们的产业升级需要国际上领先的技术,需要做国际上从来没有人做过的东西,还要做应用前景广阔的东西。我希望这样的技术能在中国生根发芽。”这番话用他冷静的嗓音说出,显得格外真诚,不含水分。

    编辑:苑苑

    此外,鲍捷介绍,基于波长复用原理的胶体量子点光谱仪不再单独测量不同波长的光谱,而是用量子点滤光器和检测器同时测量多个光谱波段,这也是国际上首次将胶体量子点纳米材料用于制作微型光谱仪的报道。

    清华教授在《自然》发表文章,展示微型光谱仪制作新方法

    量子点又称为“纳米晶”,粒径一般介于1到10纳米之间。由于其发射光谱可通过改变量子点的尺寸来控制,通过改变量子点的尺寸和化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。基于这一特点,鲍捷用量子点替代光栅作为新光谱仪的光谱分析器件,并利用195种胶体量子点纳米材料和一个普通数码相机所用的图像传感器制成了新型微型光谱仪,能够检测小到1纳米的光谱位移。

    未来可通过手机检测身体状况

    来源:光明日报 2015-7-14 邓晖 姚伟康

      用手机拍一下就能鉴定一杯牛奶是否变质、今天的空气质量如何,扫一下就能进行无损的红酒品质鉴定,甚至自拍就能知道身体是否健康……如此强大的功能已远远超出了传统意义上“拍照”的范畴,但在微型光谱仪的帮助下,它们将有望成为现实。

      近日,清华大学电子工程系教授鲍捷领衔的研究小组首次利用量子点纳米材料阵列,成功研制出高性能微型“量子点光谱仪”。7月2日出版的《自然》杂志刊登了这项研究成果。该研究不仅革新了光谱仪的制作原理,还拓展了光谱仪的应用前景,成果有望贯通创新链和产业链。

      作为一种能够抓取物质光信息和分辨不同颜色光波强度的分析仪器,光谱仪被非常广泛地应用在诸如天文、生物、化学、医学、环境学等多领域。但这类设备通常造价昂贵、体积过大且难以移动,往往只能被安置在实验室中。科学家一直致力于让光谱仪小型化、成本低廉且易于使用,以增加其使用范围,却一直不是很成功。

      “目前大多数微型光谱仪仍利用光的干涉原理,用光栅将复杂的光分解为光谱线。这限制了光谱仪的效率、体积的减小,以及分辨率和光谱范围等性能的协同提升等。”鲍捷介绍,从2012年起,他开始尝试研发基于量子点的新型光谱仪,利用当前最热门的纳米材料之一——量子点的溶液进行特殊加工,研发出只有手机摄像头大小的微型光谱仪芯片;同时,对光谱仪的结构、算法进行了重新定义和设计,利用195种胶体量子点纳米材料和一个普通数码相机所用的图像传感器制成了新型微型光谱仪,能够同时测量多个光谱波段、小到1纳米的光谱位移。

      这也是国际上首次将胶体量子点纳米材料用于制作微型光谱仪的报道,为制作高性能、低造价、体积小于智能手机摄像头的微型光谱仪铺平了道路——新型光谱仪在分辨率、适用范围和效率方面与现有设备性能相当,核心部件成本缩减到以前的万分之一,将原本几万美元的成本降至几美元,甚至控制在一美元以内。

      对此,同期《自然》杂志发表专题编辑部评论,强调“科学家们描述了一个小巧且功能强大的光谱仪,并且可能以低廉的造价进入消费者电子产品,推进了光谱仪的进一步发展”。

      未来,这一成果将在包括太空探索、个性化医疗、微流控芯片实验室诊断平台等领域投入应用。而与普通民众生活最息息相关的是,在现有条件下,这种最小能达到约1立方毫米的微型光谱仪可以让以往“高大上”的专业化学检测走向日常生活。

      “植入智能手机后,通过摄像头便可进行食品药品、个人健康、环境污染等检测。它可以附于体表,甚至可能植入人体内,进行各项健康指标的检测。”鲍捷说。

    在现有条件下,这种微型光谱仪最小能达到约1立方毫米。“植入智能手机后,通过摄像头便可进行食品药品、个人健康、环境污染等检测,使专业的化学检测走向日常生活。”鲍捷说,“它可以附于体表,甚至可能植入人体内,进行各项健康指标的检测。”

    光谱仪能抓取物质光信息和分析检测物质中的元素,在科研、食药和医学检测等领域应用广泛。鲍捷告诉《中国科学报》记者,目前大多数微型光谱仪仍利用光的干涉原理,用光栅将复杂的光分解为光谱线。但这限制了光谱仪的效率、分辨率和光谱范围。2012年起,鲍捷开始在美国麻省理工学院教授Moungi G. Bawendi研究组中尝试研发基于量子点的新型光谱仪。

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