吃了這麼多年糖醋里脊，沒想到它居然還是尖端量子材料 | 科學DIY_風聞

【本文由公眾號“把科學帶回家”提供，ID：steamforkids】

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，它們都有一個共同點，就是用到了糖和醋。

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

這類物質，就是碳量子點。

不同量子點在紫外線下的熒光色澤

關鍵概念

碳量子點

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毫升左右的醋混合後，放入微波爐里加熱1-5分鐘。

原理：蔗糖在高温酸性環境中會水解為葡萄糖和果糖，它們是形成碳量子點的關鍵。

2 把溶液從微波爐裏拿出來，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，因為紅色碳納米點只會在強酸中發光，但綠色碳納米點需要中性或鹼性環境。冒泡是因為醋酸和小蘇打反應生成了二氧化碳。

3 取一點沒有雜質的溶液放到玻璃瓶裏，用紫外線（驗鈔燈）照射溶液，不出意外可以看到綠色的熒光。

這些碳量子點的熒光色是比較容易得到的

方法2

另外一種製造方法，是把糖醋混合液放在90攝氏度左右恆温器上燜煮30分鐘，直到溶液變為粘稠的橙色為止。然後放入小蘇打中和，並進行紫外線觀察。

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

@The Thought Emporium

當然，用上面兩種方法加熱橙汁也可以產生碳量子點。

原理

量子點（quantum dots）是一種納米結構，大小為10納米左右。不過，這種物質具有奇特的化學性質，可以在熒光下發光。

一般來説，量子點的熒光色和粒子的大小有關，大的粒子會發出紅色熒光，而小的粒子會發出藍紫色的熒光。

量子點熒光色和大小的關係

@三星

通常，製造量子點的材料是有毒的硫化鎘，而鎘製造的量子點的商業應用前景不廣，因為許多國家，如歐盟和日本都禁止在消費品中使用鎘。

但是碳量子點的出現讓量子點的應用場景一下子開闊了起來，而且拓寬了我們對碳這種元素的認識。

碳量子點是2004年才被發現的物質，發現者是南卡羅萊納大學的一位叫做 Xiaoyou XU 的華裔化學家。

在此之前，一般認為碳單質本身是很難溶於水的。但是由碳單質形成的碳量子點的出現，讓人們看到了碳的不同一面。而碳量子點發出的光，也常被稱為碳納米光（carbon nanolight）。

作為一種在紫外線下會發出熒光碳納米材料，碳量子點非常穩定，具有很好的導電性，而且毒性比較低，對環境友好。最關鍵的是，它的製備方法可以簡單到在家DIY。

本實驗裏製造碳量子點的第一個方法是微波輻射法（Microware irradiation），第二個方法是溶劑熱處理（Hydrothermal/solvothermal treatment）。有化學實驗條件的話，加入（有毒性的）二甘醇的效果會更好。

溶劑熱處理簡單地説就是控温悶煮的方法。在文獻中，科學家們曾經用這個方法成功將葡萄糖，檸檬酸，殼聚糖，香蕉汁製成了碳量子點。

用尿素, 丙胺酸和蔗糖製造的碳量子點的熒光色

@wikipedia

此外製造碳納米點的方法主要還有化學燒蝕（chemical ablation）， 電化學炭化（Electrochemical carbonization），激光燒蝕（Laser ablation）。

量子點

@University illustration / Michael Osadciw

不過呢，關於碳量子點為什麼會發光，現在學術界還沒有定論。

一種解釋是量子限制效應（quantum confinement effects）。量子限制效應指的是，當粒子的大小與電子的物質波波長差不多的時候，電子就會出現量子性質，能級從連續變為離散，能隙變寬。

因為能隙變寬，電子接受紫外線照射後進入激發態再回到基態時釋放出的光子就落入了可見光的範圍，在人眼看來就是發出熒光了。

能隙和量子點熒光色的關係

@三星

不過，理論的爭議不影響碳量子點的應用。

3D打印，太陽能電池可以用上碳量子點。把碳量子點注入生物體內，就可以標示不同器官或者組織。也可以用碳量子點檢測環境的pH值等理化特性。

三星也在研發量子點的有機發光二極管電視機顯示器，這樣顯示器的顯色範圍會擴大，電視畫面或許可以媲美專業攝影。

以後的電視機，可能和糖醋排骨有着千絲萬縷的聯繫呢。

2016年，三星公佈了一些量子點。

@三星

總之呢，看完碳量子點我們明白，對生活的任何方面都要保持好奇心和細心。每次吃糖醋里脊前都用蘇打水泡一泡，再用驗鈔筆照一下，你説不定遲早會發現…

糖醋里脊里根本沒有裏脊。

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