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新科技微型光谱仪的未来 --走进寻常百姓家

导读: 用手机拍一下就能知道一杯牛奶是否变质,用手机照一个就能知道今天的PM2.5的指数是多少,用手机拍自己就能知道身体是否健康,这样的功能已经远远超出了传统意义上拍照的范畴,但却即将成为现实。

  用手机拍一下就能知道一杯牛奶是否变质,用手机照一个就能知道今天的PM2.5的指数是多少,用手机拍自己就能知道身体是否健康,这样的功能已经远远超出了传统意义上拍照的范畴,但却即将成为现实。实现这些无疑都离不开一种被称为量子点的纳米材料。

  神奇的量子点纳米材料

  量子点是由有限数目的原子组成,三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点形态一般为球形或类球形,是由半导体材料制成的,稳定直径在2~20nm的纳米粒子。量子点是在纳米尺度上的原子和分子的集合体,既可由一种半导体材料组成,也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。量子点材料是近年来极为热门的新兴纳米材料,由于非常微小,通常被制成溶液形态,从本质上来说,它其实就是一种可在微小范围内进行调控的光敏半导体晶体。

  说到量子点纳米材料的特性,最神奇的是它可以根据晶粒直径的大小改变自身的颜色,在几个纳米到十几个纳米的范围内,它都会呈现不同的颜色。你可以把它想象成任何一个物体,我们把它掰一半,颜色就会变,再掰一半,它颜色又会变。

  再一个特性就是它具备良好的水溶性,由于量子点非常微小,它的厚度大概只有人头发丝的万分之一大小,所以把量子点制备成溶液,可以更直观地看出量子点会根据大小的变化,显示出颜色的不同。

  文章先前提到的微型光谱仪研究成果,正是利用了不同大小量子点颜色的变化,对于特定光谱范围的高度敏感这一特点。

  位于中关村的清华大学QDchip团队,身为创始人兼清华大学博导的鲍捷,带领团队采用新型量子点纳米材料和纳米技术,制作出手机摄像头大小的光谱照相机,让普通人也可实现随时随地做物质分析判断的美好前景。这是量子点材料首次在光谱仪研制领域的应用,并且此项科研成果已在全世界科学领域最有名望的自然学术杂志上公布。

  微型光谱仪是如何打造的

  从量子点到量子点光谱

  首先把量子点溶液进行特殊加工,因为它非常微小,所以使用它要像打印机里的墨水一样,把它打印到芯片上,形成一个阵列的薄膜,这就形成了我们所需要的量子点元器件构造。接着把这个量子点元器件与大家手机摄像头里面用的检测器阵列简单附和在一起,概念上这就是一个很简单的光谱议。然后通过清华团队对光谱仪结构算法的重新定义和设计,一部微型光谱仪就诞生了。

  微型光谱仪走进寻常百姓家

  那么光谱仪这种设备究竟是怎样运行的,在我们的日常生活当中,它又能起到怎样的作用?继续跟小编走进今天的前沿实验室。

  光谱仪之所以这么神奇,离不开光波这一特殊介质。光波是由原子内部运动电子产生的,因此不同的物质发射的光波也不同,这就好象是与生俱来的身份证,是辨别物质最简单也最准确的方式。通常人眼可以分辨的光波范围被称为可见光,而物质时时刻刻所发出的光波中,大多数并不能被人眼分辨。而光谱仪就是一双可以分辨所有光波的神奇眼睛。

  两个肉眼看上去一样的物体,但是在光谱仪的眼睛里,他们的颜色可完全不一样。也正是因为光谱仪这样一种特别的能力,所以它发挥着神奇的作用。接下来我们就做个简单实验。

  我们可以准备两只苹果,一个苹果磕碰过并且已经放置了一段时间,而另一个苹果完好无损。那么在光谱仪的眼里,他们都会是什么样子的呢?

  当光谱仪照在完好苹果上,光波数据传到手机后,通过波形与波谷的比对,它会告诉你,这个苹果已经成熟,现在吃没有问题;而照向另一个有些磕碰的苹果时,通过比对,它会告诉你这个苹果不太好,建议换另一个好的苹果。这样一来,我们今后挑水果可就掌握诀窍了!光谱仪除了可以帮助我们挑苹果,还可以告诉我们水果的含糖量,这样今后想吃甜的或酸的,就都由你来决定。

  微型光谱仪的未来

  事实上用光谱仪去挑苹果还只是大材小用。在光谱仪诞生的几百年里,一直受制于大小和成本,无法进入日常生活,而微型的光谱仪可以便捷地搭载到卫星上,进行太空探索。可以做成胶囊吞服,无痛苦完成胃镜检测,甚至还可以搭载到无人机上,看看哪片土地上的作物缺乏营养元素等等。

  光谱仪微型化这一关键技术的突破,全民光谱照相机时代将会快速到来。

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