新科技微型光譜儀的未來 --走進尋常百姓家

   用手機拍一下就能知道一杯牛奶是否變質(zhì)，用手機照一個就能知道今天的PM2.5的指數(shù)是多少，用手機拍自己就能知道身體是否健康，這樣的功能已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)意義上拍照的范疇，但卻即將成為現(xiàn)實。實現(xiàn)這些無疑都離不開一種被稱為量子點的納米材料。
　　
　神奇的量子點納米材料
　　
　量子點是由有限數(shù)目的原子組成，三個維度尺寸均在納米數(shù)量級。量子點形態(tài)一般為球形或類球形，是由半導體材料制成的，穩(wěn)定直徑在2～20nm的納米粒子。量子點是在納米尺度上的原子和分子的集合體，既可由一種半導體材料組成，也可以由兩種或兩種以上的半導體材料組成。量子點材料是近年來極為熱門的新興納米材料，由于非常微小，通常被制成溶液形態(tài)，從本質(zhì)上來說，它其實就是一種可在微小范圍內(nèi)進行調(diào)控的光敏半導體晶體。
　　
　說到量子點納米材料的特性，最神奇的是它可以根據(jù)晶粒直徑的大小改變自身的顏色，在幾個納米到十幾個納米的范圍內(nèi)，它都會呈現(xiàn)不同的顏色。你可以把它想象成任何一個物體，我們把它掰一半，顏色就會變，再掰一半，它顏色又會變。
　　
　再一個特性就是它具備良好的水溶性，由于量子點非常微小，它的厚度大概只有人頭發(fā)絲的萬分之一大小，所以把量子點制備成溶液，可以更直觀地看出量子點會根據(jù)大小的變化，顯示出顏色的不同。
　　
　文章先前提到的微型光譜儀研究成果，正是利用了不同大小量子點顏色的變化，對于特定光譜范圍的高度敏感這一特點。
　　
　位于中關(guān)村的清華大學QDchip團隊，身為創(chuàng)始人兼清華大學博導的鮑捷，帶領(lǐng)團隊采用新型量子點納米材料和納米技術(shù)，制作出手機攝像頭大小的光譜照相機，讓普通人也可實現(xiàn)隨時隨地做物質(zhì)分析判斷的美好前景。這是量子點材料首次在光譜儀研制領(lǐng)域的應(yīng)用，并且此項科研成果已在全世界科學領(lǐng)域最有名望的自然學術(shù)雜志上公布。
　　
　微型光譜儀是如何打造的
　　
　從量子點到量子點光譜
　　
　首先把量子點溶液進行特殊加工，因為它非常微小，所以使用它要像打印機里的墨水一樣，把它打印到芯片上，形成一個陣列的薄膜，這就形成了我們所需要的量子點元器件構(gòu)造。接著把這個量子點元器件與大家手機攝像頭里面用的檢測器陣列簡單附和在一起，概念上這就是一個很簡單的光譜議。然后通過清華團隊對光譜儀結(jié)構(gòu)算法的重新定義和設(shè)計，一部微型光譜儀就誕生了。
　　
　微型光譜儀走進尋常百姓家
　　
　那么光譜儀這種設(shè)備究竟是怎樣運行的，在我們的日常生活當中，它又能起到怎樣的作用？繼續(xù)跟小編走進今天的前沿實驗室。
　　
　光譜儀之所以這么神奇，離不開光波這一特殊介質(zhì)。光波是由原子內(nèi)部運動電子產(chǎn)生的，因此不同的物質(zhì)發(fā)射的光波也不同，這就好象是與生俱來的身份證，是辨別物質(zhì)最簡單也最準確的方式。通常人眼可以分辨的光波范圍被稱為可見光，而物質(zhì)時時刻刻所發(fā)出的光波中，大多數(shù)并不能被人眼分辨。而光譜儀就是一雙可以分辨所有光波的神奇眼睛。
　　
　兩個肉眼看上去一樣的物體，但是在光譜儀的眼睛里，他們的顏色可完全不一樣。也正是因為光譜儀這樣一種特別的能力，所以它發(fā)揮著神奇的作用。接下來我們就做個簡單實驗。
　　
　我們可以準備兩只蘋果，一個蘋果磕碰過并且已經(jīng)放置了一段時間，而另一個蘋果完好無損。那么在光譜儀的眼里，他們都會是什么樣子的呢？
　　
　當光譜儀照在完好蘋果上，光波數(shù)據(jù)傳到手機后，通過波形與波谷的比對，它會告訴你，這個蘋果已經(jīng)成熟，現(xiàn)在吃沒有問題；而照向另一個有些磕碰的蘋果時，通過比對，它會告訴你這個蘋果不太好，建議換另一個好的蘋果。這樣一來，我們今后挑水果可就掌握訣竅了！光譜儀除了可以幫助我們挑蘋果，還可以告訴我們水果的含糖量，這樣今后想吃甜的或酸的，就都由你來決定。
　　
　微型光譜儀的未來
　　
　事實上用光譜儀去挑蘋果還只是大材小用。在光譜儀誕生的幾百年里，一直受制于大小和成本，無法進入日常生活，而微型的光譜儀可以便捷地搭載到衛(wèi)星上，進行太空探索?？梢宰龀赡z囊吞服，無痛苦完成胃鏡檢測，甚至還可以搭載到無人機上，看看哪片土地上的作物缺乏營養(yǎng)元素等等。
　　
　光譜儀微型化這一關(guān)鍵技術(shù)的突破，全民光譜照相機時代將會快速到來。