吃了這么多年糖醋里脊，沒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，它們都有一個共同點，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。

不同量子點在紫外線下的熒光色澤

關(guān)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)境中會水解為葡萄糖和果糖，它們是形成碳量子點的關(guān)鍵。

2把溶液從微波爐里拿出來，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(fā)光，但綠色碳納米點需要中性或堿性環(huán)境。冒泡是因為醋酸和小蘇打反應(yīng)生成了二氧化碳。

3 取一點沒有雜質(zhì)的溶液放到玻璃瓶里，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

@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。

原理

量子點（quantum dots）是一種納米結(jié)構(gòu)，大小為10納米左右。不過，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。

一般來說，量子點的熒光色和粒子的大小有關(guān)，大的粒子會發(fā)出紅色熒光，而小的粒子會發(fā)出藍(lán)紫色的熒光。

量子點熒光色和大小的關(guān)系

@三星

通常，制造量子點的材料是有毒的硫化鎘，而鎘制造的量子點的商業(yè)應(yīng)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(xiàn)讓量子點的應(yīng)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(rèn)識。

碳量子點是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)形成的碳量子點的出現(xiàn)，讓人們看到了碳的不同一面。而碳量子點發(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發(fā)出熒光碳納米材料，碳量子點非常穩(wěn)定，具有很好的導(dǎo)電性，而且毒性比較低，對環(huán)境友好。最關(guān)鍵的是，它的制備方法可以簡單到在家DIY。

本實驗里制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(xué)實驗條件的話，加入（有毒性的）二甘醇的效果會更好。

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

用尿素, 丙胺酸和蔗糖制造的碳量子點的熒光色

@wikipedia

此外制造碳納米點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

@University illustration / Michael Osadciw

不過呢，關(guān)于碳量子點為什么會發(fā)光，現(xiàn)在學(xué)術(shù)界還沒有定論。

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)波波長差不多的時候，電子就會出現(xiàn)量子性質(zhì)，能級從連續(xù)變?yōu)殡x散，能隙變寬。

因為能隙變寬，電子接受紫外線照射后進(jìn)入激發(fā)態(tài)再回到基態(tài)時釋放出的光子就落入了可見光的范圍，在人眼看來就是發(fā)出熒光了。

能隙和量子點熒光色的關(guān)系

@三星

不過，理論的爭議不影響碳量子點的應(yīng)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(nèi)，就可以標(biāo)示不同器官或者組織。也可以用碳量子點檢測環(huán)境的pH值等理化特性。

三星也在研發(fā)量子點的有機發(fā)光二極管電視機顯示器，這樣顯示器的顯色范圍會擴大，電視畫面或許可以媲美專業(yè)攝影。

以后的電視機，可能和糖醋排骨有著千絲萬縷的聯(lián)系呢。

2016年，三星公布了一些量子點。

@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(xì)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，你說不定遲早會發(fā)現(xiàn)...

糖醋里脊里根本沒有里脊。

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