吃了這么多年糖醋里脊，沒(méi)想到它居然還是尖端量子材料 | 科學(xué)DIY

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糖醋里脊，糖醋排骨，orange chicken…這些是世界知名的中華料理的名字，它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是用到了糖和醋。

但是在2004年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了這種酸甜的中華料理含有一類神奇的物質(zhì)，它們不但能夠在紫外線下發(fā)出熒光，還具有奇特的量子性質(zhì)。

這類物質(zhì)，就是碳量子點(diǎn)。

不同量子點(diǎn)在紫外線下的熒光色澤

關(guān)鍵概念

碳量子點(diǎn)

材料和操作

1杯水

蔗糖

醋

小蘇打（碳酸氫鈉）

方法1

1 把大約0.7-1.5克糖和20毫升左右的醋混合后，放入微波爐里加熱1-5分鐘。

原理：蔗糖在高溫酸性環(huán)境中會(huì)水解為葡萄糖和果糖，它們是形成碳量子點(diǎn)的關(guān)鍵。

2把溶液從微波爐里拿出來(lái)，加入小蘇打，一直加到溶液不再冒泡為止。

原理：加入小蘇打是為了中和溶液，因?yàn)榧t色碳納米點(diǎn)只會(huì)在強(qiáng)酸中發(fā)光，但綠色碳納米點(diǎn)需要中性或堿性環(huán)境。冒泡是因?yàn)榇姿岷托√K打反應(yīng)生成了二氧化碳。

3 取一點(diǎn)沒(méi)有雜質(zhì)的溶液放到玻璃瓶里，用紫外線（驗(yàn)鈔燈）照射溶液，不出意外可以看到綠色的熒光。

這些碳量子點(diǎn)的熒光色是比較容易得到的

方法2

另外一種制造方法，是把糖醋混合液放在90攝氏度左右恒溫器上燜煮30分鐘，直到溶液變?yōu)檎吵淼某壬珵橹?。然后放入小蘇打中和，并進(jìn)行紫外線觀察。

這種方法（溶劑熱處理法）可以得到熒光黃熒光綠的碳量子點(diǎn)

@The Thought Emporium

當(dāng)然，用上面兩種方法加熱橙汁也可以產(chǎn)生碳量子點(diǎn)。

原理

量子點(diǎn)（quantum dots）是一種納米結(jié)構(gòu)，大小為10納米左右。不過(guò)，這種物質(zhì)具有奇特的化學(xué)性質(zhì)，可以在熒光下發(fā)光。

一般來(lái)說(shuō)，量子點(diǎn)的熒光色和粒子的大小有關(guān)，大的粒子會(huì)發(fā)出紅色熒光，而小的粒子會(huì)發(fā)出藍(lán)紫色的熒光。

量子點(diǎn)熒光色和大小的關(guān)系

@三星

通常，制造量子點(diǎn)的材料是有毒的硫化鎘，而鎘制造的量子點(diǎn)的商業(yè)應(yīng)用前景不廣，因?yàn)樵S多國(guó)家，如歐盟和日本都禁止在消費(fèi)品中使用鎘。

但是碳量子點(diǎn)的出現(xiàn)讓量子點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景一下子開(kāi)闊了起來(lái)，而且拓寬了我們對(duì)碳這種元素的認(rèn)識(shí)。

碳量子點(diǎn)是2004年才被發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)者是南卡羅萊納大學(xué)的一位叫做 Xiaoyou XU 的華裔化學(xué)家。

在此之前，一般認(rèn)為碳單質(zhì)本身是很難溶于水的。但是由碳單質(zhì)形成的碳量子點(diǎn)的出現(xiàn)，讓人們看到了碳的不同一面。而碳量子點(diǎn)發(fā)出的光，也常被稱為碳納米光（carbon nanolight）。

作為一種在紫外線下會(huì)發(fā)出熒光碳納米材料，碳量子點(diǎn)非常穩(wěn)定，具有很好的導(dǎo)電性，而且毒性比較低，對(duì)環(huán)境友好。最關(guān)鍵的是，它的制備方法可以簡(jiǎn)單到在家DIY。

本實(shí)驗(yàn)里制造碳量子點(diǎn)的第一個(gè)方法是微波輻射法（Microware irradiation），第二個(gè)方法是溶劑熱處理（Hydrothermal/solvothermal treatment）。有化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的話，加入（有毒性的）二甘醇的效果會(huì)更好。

溶劑熱處理簡(jiǎn)單地說(shuō)就是控溫悶煮的方法。在文獻(xiàn)中，科學(xué)家們?cè)?jīng)用這個(gè)方法成功將葡萄糖，檸檬酸，殼聚糖，香蕉汁制成了碳量子點(diǎn)。

用尿素, 丙胺酸和蔗糖制造的碳量子點(diǎn)的熒光色

@wikipedia

此外制造碳納米點(diǎn)的方法主要還有化學(xué)燒蝕（chemical ablation）， 電化學(xué)炭化（Electrochemical carbonization），激光燒蝕（Laser ablation）。

量子點(diǎn)

@University illustration / Michael Osadciw

不過(guò)呢，關(guān)于碳量子點(diǎn)為什么會(huì)發(fā)光，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界還沒(méi)有定論。

一種解釋是量子限制效應(yīng)（quantum confinement effects）。量子限制效應(yīng)指的是，當(dāng)粒子的大小與電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)差不多的時(shí)候，電子就會(huì)出現(xiàn)量子性質(zhì)，能級(jí)從連續(xù)變?yōu)殡x散，能隙變寬。

因?yàn)槟芟蹲儗?，電子接受紫外線照射后進(jìn)入激發(fā)態(tài)再回到基態(tài)時(shí)釋放出的光子就落入了可見(jiàn)光的范圍，在人眼看來(lái)就是發(fā)出熒光了。

能隙和量子點(diǎn)熒光色的關(guān)系

@三星

不過(guò)，理論的爭(zhēng)議不影響碳量子點(diǎn)的應(yīng)用。

3D打印，太陽(yáng)能電池可以用上碳量子點(diǎn)。把碳量子點(diǎn)注入生物體內(nèi)，就可以標(biāo)示不同器官或者組織。也可以用碳量子點(diǎn)檢測(cè)環(huán)境的pH值等理化特性。

三星也在研發(fā)量子點(diǎn)的有機(jī)發(fā)光二極管電視機(jī)顯示器，這樣顯示器的顯色范圍會(huì)擴(kuò)大，電視畫面或許可以媲美專業(yè)攝影。

以后的電視機(jī)，可能和糖醋排骨有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系呢。

2016年，三星公布了一些量子點(diǎn)。

@三星

總之呢，看完碳量子點(diǎn)我們明白，對(duì)生活的任何方面都要保持好奇心和細(xì)心。每次吃糖醋里脊前都用蘇打水泡一泡，再用驗(yàn)鈔筆照一下，你說(shuō)不定遲早會(huì)發(fā)現(xiàn)...

糖醋里脊里根本沒(méi)有里脊。

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