新科技微型光譜儀的未來 --走進(jìn)尋常百姓家

   用手機(jī)拍一下就能知道一杯牛奶是否變質(zhì)，用手機(jī)照一個(gè)就能知道今天的PM2.5的指數(shù)是多少，用手機(jī)拍自己就能知道身體是否健康，這樣的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)意義上拍照的范疇，但卻即將成為現(xiàn)實(shí)。實(shí)現(xiàn)這些無疑都離不開一種被稱為量子點(diǎn)的納米材料。
　　
　神奇的量子點(diǎn)納米材料
　　
　量子點(diǎn)是由有限數(shù)目的原子組成，三個(gè)維度尺寸均在納米數(shù)量級(jí)。量子點(diǎn)形態(tài)一般為球形或類球形，是由半導(dǎo)體材料制成的，穩(wěn)定直徑在2～20nm的納米粒子。量子點(diǎn)是在納米尺度上的原子和分子的集合體，既可由一種半導(dǎo)體材料組成，也可以由兩種或兩種以上的半導(dǎo)體材料組成。量子點(diǎn)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(shí)就是一種可在微小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控的光敏半導(dǎo)體晶體。
　　
　說到量子點(diǎn)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(gè)納米到十幾個(gè)納米的范圍內(nèi)，它都會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色。你可以把它想象成任何一個(gè)物體，我們把它掰一半，顏色就會(huì)變，再掰一半，它顏色又會(huì)變。
　　
　再一個(gè)特性就是它具備良好的水溶性，由于量子點(diǎn)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(diǎn)制備成溶液，可以更直觀地看出量子點(diǎn)會(huì)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(diǎn)顏色的變化，對(duì)于特定光譜范圍的高度敏感這一特點(diǎn)。
　　
　位于中關(guān)村的清華大學(xué)QDchip團(tuán)隊(duì)，身為創(chuàng)始人兼清華大學(xué)博導(dǎo)的鮑捷，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)采用新型量子點(diǎn)納米材料和納米技術(shù)，制作出手機(jī)攝像頭大小的光譜照相機(jī)，讓普通人也可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地做物質(zhì)分析判斷的美好前景。這是量子點(diǎn)材料首次在光譜儀研制領(lǐng)域的應(yīng)用，并且此項(xiàng)科研成果已在全世界科學(xué)領(lǐng)域最有名望的自然學(xué)術(shù)雜志上公布。
　　
　微型光譜儀是如何打造的
　　
　從量子點(diǎn)到量子點(diǎn)光譜
　　
　首先把量子點(diǎn)溶液進(jìn)行特殊加工，因?yàn)樗浅Ｎ⑿。允褂盟翊蛴C(jī)里的墨水一樣，把它打印到芯片上，形成一個(gè)陣列的薄膜，這就形成了我們所需要的量子點(diǎn)元器件構(gòu)造。接著把這個(gè)量子點(diǎn)元器件與大家手機(jī)攝像頭里面用的檢測(cè)器陣列簡(jiǎn)單附和在一起，概念上這就是一個(gè)很簡(jiǎn)單的光譜議。然后通過清華團(tuán)隊(duì)對(duì)光譜儀結(jié)構(gòu)算法的重新定義和設(shè)計(jì)，一部微型光譜儀就誕生了。
　　
　微型光譜儀走進(jìn)尋常百姓家
　　
　那么光譜儀這種設(shè)備究竟是怎樣運(yùn)行的，在我們的日常生活當(dāng)中，它又能起到怎樣的作用？繼續(xù)跟小編走進(jìn)今天的前沿實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單也最準(zhǔn)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(shí)時(shí)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(gè)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?yàn)楣庾V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(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)。
　　
　我們可以準(zhǔn)備兩只蘋果，一個(gè)蘋果磕碰過并且已經(jīng)放置了一段時(shí)間，而另一個(gè)蘋果完好無損。那么在光譜儀的眼里，他們都會(huì)是什么樣子的呢？
　　
　當(dāng)光譜儀照在完好蘋果上，光波數(shù)據(jù)傳到手機(jī)后，通過波形與波谷的比對(duì)，它會(huì)告訴你，這個(gè)蘋果已經(jīng)成熟，現(xiàn)在吃沒有問題；而照向另一個(gè)有些磕碰的蘋果時(shí)，通過比對(duì)，它會(huì)告訴你這個(gè)蘋果不太好，建議換另一個(gè)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(shí)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(jìn)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(jìn)行太空探索。可以做成膠囊吞服，無痛苦完成胃鏡檢測(cè)，甚至還可以搭載到無人機(jī)上，看看哪片土地上的作物缺乏營(yíng)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(jī)時(shí)代將會(huì)快速到來。