量子點(diǎn)超越傳統(tǒng)光敏劑，攻克曾被認(rèn)為光化學(xué)難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)。

想象一下，僅需一絲陽(yáng)光就能打破那些曾需要巨大能量或有毒化學(xué)品才能斷裂的頑固化學(xué)鍵。這聽起來近乎天方夜譚，但香港科技大學(xué)的化學(xué)家們找到了一種巧妙的方法來實(shí)現(xiàn)它。

通過為量子點(diǎn) —— 這種比沙粒還小數(shù)千倍的微小粒子 —— 注入超強(qiáng)能力，他們開發(fā)出一種名為超級(jí)光還原劑的高效光驅(qū)動(dòng)工具。研究人員表示，該工具可能徹底變革有機(jī)合成領(lǐng)域。

迄今為止，量子點(diǎn)作為光催化劑雖展現(xiàn)出潛力，但在實(shí)踐中表現(xiàn)不佳。其全部潛力被復(fù)雜的物理學(xué)原理所禁錮，科學(xué)家們難以有效地釋放驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)性化學(xué)反應(yīng)所需的熱電子。但有了超級(jí)光還原劑，這一局面將得以改變。

熱電子的非凡威力

量子點(diǎn)（QDs）是納米級(jí)的半導(dǎo)體，能夠以強(qiáng)大的方式吸收并釋放光能。研究人員早就知道量子點(diǎn)可以作為光催化劑（利用光加速化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)）。

然而，盡管經(jīng)過多年研究，量子點(diǎn)并未超越傳統(tǒng)的小分子光敏劑，因?yàn)榭茖W(xué)家們未能完全理解如何控制或增強(qiáng)其最有價(jià)值的特性：熱電子。這些高速運(yùn)動(dòng)的電子能夠幫助撕裂目標(biāo)分子中的強(qiáng)化學(xué)鍵。

雖然科學(xué)家們已經(jīng)探索了從量子點(diǎn)產(chǎn)生熱電子的方法，但如何在溫和、無損的條件下高效地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一直是個(gè)重大挑戰(zhàn)。為了克服這一難題，港科大團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型光催化系統(tǒng)，使用了錳摻雜的CdS/ZnS量子點(diǎn)。

研究人員利用一種特殊的量子效應(yīng) —— 雙光子自旋交換俄歇過程—— 以前所未有的高效率產(chǎn)生熱電子。該過程允許兩個(gè)低能光子（光的粒子）在量子點(diǎn)內(nèi)部結(jié)合其能量，產(chǎn)生一個(gè)超高能的“熱”電子。

本質(zhì)上，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種方法，讓量子點(diǎn)像微小的能量倍增器一樣工作：吸收溫和的可見光，并將其轉(zhuǎn)化為能夠打斷化學(xué)鍵的強(qiáng)大沖擊力。結(jié)果令人印象深刻。

該系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)如伯奇還原（Birch reduction）這類艱難的反應(yīng)（該反應(yīng)通常需要液氨和堿金屬）。它還能斷裂多種化學(xué)鍵，包括C-Cl、C-Br、C-I、C-O、C-C，甚至N-S鍵。更令人驚嘆的是，它能夠處理具有極低還原電位（低至-3.4伏 vs. 標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極, SCE）的分子，這類分子通常被認(rèn)為是光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)難以應(yīng)對(duì)的“頑固分子”。

所有這些僅使用了傳統(tǒng)系統(tǒng)所需光能的百分之一。這是一次巨大的效率飛躍。此外，該系統(tǒng)允許研究人員只需調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度即可開啟或關(guān)閉反應(yīng)。這一特性未來可用于編程復(fù)雜的反應(yīng)序列，如同一個(gè)“化學(xué)計(jì)算機(jī)”。

光驅(qū)動(dòng)妙法或?qū)⒆兏锘瘜W(xué)領(lǐng)域

這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)我們制造從藥品到塑料等各類產(chǎn)品的方式產(chǎn)生巨大影響。例如，依賴化學(xué)合成的產(chǎn)業(yè)可以利用這種光驅(qū)動(dòng)方法，減少對(duì)苛刻化學(xué)品的依賴、降低能源消耗并減少?gòu)U物產(chǎn)生。

該研究也展示了量子限域材料（如這些定制構(gòu)建的量子點(diǎn)）如何能夠解鎖以往被認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的新型化學(xué)反應(yīng)。

科學(xué)家們指出：“這項(xiàng)研究彰顯了量子限域半導(dǎo)體在促進(jìn)具有挑戰(zhàn)性的有機(jī)轉(zhuǎn)化方面前所未有的潛力，這是傳統(tǒng)分子光催化劑以前無法實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

然而，一些挑戰(zhàn)仍然存在。例如，這些系統(tǒng)仍需在更廣泛的反應(yīng)類型中和工業(yè)規(guī)模條件下進(jìn)行測(cè)試。生產(chǎn)此類專用量子點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和成本也將決定該方法的成功與否。

研究人員目前正在探索改進(jìn)這種基于光的系統(tǒng)的方法，以驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜的化學(xué)轉(zhuǎn)化。

該研究已發(fā)表在《自然·通訊》期刊上。

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