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昨天，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)麻省理工學(xué)院教授蒙吉·巴文迪（Moungi Bawendi）、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)教授路易斯·布魯斯（Louis Brus）和美國(guó)納米晶體科技公司科學(xué)家阿列克謝·葉基莫夫（Alexei Ekimov），以表彰他們對(duì)量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)與合成所作的貢獻(xiàn)。

量子點(diǎn)是一種微小的納米粒子，顆粒大小決定了它們的性質(zhì)。在古老的彩色玻璃中，這些納米粒子就展現(xiàn)出獨(dú)特魅力。此次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，在上世紀(jì)80年代初到90年代不懈努力探索，最終掌握了生產(chǎn)完美量子點(diǎn)的方法，為納米技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用播下了“彩色的種子”。

如今，量子點(diǎn)正在造福人類(lèi)——這些納米顆粒不僅通過(guò)電視屏幕和LED燈為人們照亮豐富多彩的世界，還以清晰的光線為外科醫(yī)生照亮腫瘤組織?？茖W(xué)家相信，未來(lái)量子點(diǎn)有望在柔性電子產(chǎn)品、微型傳感器、更薄的太陽(yáng)能電池和加密的量子通信，以及紅外探測(cè)成像、光催化等領(lǐng)域一顯身手。而有一點(diǎn)是肯定的——對(duì)于令人驚奇的量子現(xiàn)象，還有很多需要了解。

古老彩色玻璃中蘊(yùn)藏量子秘密

量子點(diǎn)由幾千個(gè)原子組成，又稱(chēng)“人造原子”。如果要形象描述它的“小”，可以想象一個(gè)量子點(diǎn)與一個(gè)足球的對(duì)比，正如一個(gè)足球與地球的對(duì)比。當(dāng)物質(zhì)的尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一些奇異的性質(zhì)，即量子效應(yīng)。在這個(gè)微觀世界中，粒子的大小決定了它的顏色。

早在千百年前，當(dāng)人類(lèi)生產(chǎn)彩色玻璃時(shí)就發(fā)現(xiàn)，往玻璃中添加金、銀、鎘等物質(zhì)，在不同溫度下會(huì)顯現(xiàn)出不同的色彩。到了近代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，添加一種物質(zhì)就能產(chǎn)生不同顏色的玻璃，決定顏色的是加熱溫度和冷卻方式。

作為探索納米世界的先驅(qū)，獲得今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家為量子點(diǎn)在納米領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

上世紀(jì)70年代末，葉基莫夫剛剛博士畢業(yè)，在瓦維洛夫國(guó)家光學(xué)研究所工作。在研究彩色玻璃時(shí)，他發(fā)現(xiàn)玻璃樣品中的納米顆粒從約2納米到30納米不等，且尺寸越小，顏色越靠近藍(lán)色，尺寸越大越接近紅色。由于熟悉量子力學(xué)，他很快意識(shí)到這是與尺寸相關(guān)的量子效應(yīng)，并于1981年發(fā)表了相關(guān)論文。

1983年，正在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的布魯斯首次在溶液中發(fā)現(xiàn)了自由漂浮的粒子具備尺寸依賴(lài)性的量子效應(yīng)。這相當(dāng)于發(fā)現(xiàn)了元素周期表的第三個(gè)維度：決定元素性質(zhì)的，除了電子層數(shù)和外層電子數(shù)，在納米尺度上的尺寸也很重要。

不過(guò)，當(dāng)時(shí)合成的量子點(diǎn)存在很多缺陷，無(wú)法應(yīng)用推廣，巴文迪的工作則徹底改變了量子點(diǎn)的合成方法。1988年，他在布魯斯的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始博士后工作，鍥而不舍地嘗試提升量子點(diǎn)的合成質(zhì)量。后來(lái)，他成為美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究負(fù)責(zé)人，仍在繼續(xù)探索。終于，1993年，他用簡(jiǎn)單的方法合成出了幾乎完美的量子點(diǎn)納米晶體，并顯示出了獨(dú)特的量子效應(yīng)。此后，納米技術(shù)和量子點(diǎn)性質(zhì)的研究成為一大熱門(mén)。

照亮LED，也照亮腫瘤組織

有“理綜獎(jiǎng)”之稱(chēng)的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，今年成了“化學(xué)家對(duì)于物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的完美詮釋”。

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所研究員姬揚(yáng)表示，量子點(diǎn)的工作在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中都非常重要。 比如，在很多LED屏幕中，就利用量子點(diǎn)的發(fā)光特性來(lái)調(diào)節(jié)LED所呈現(xiàn)出的顏色，使之更加豐富而柔美。又如，在生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，量子點(diǎn)與生物分子相連后，其發(fā)光特性可幫助科學(xué)家繪制出細(xì)胞和器官的圖像。此外，醫(yī)生也開(kāi)始研究用量子點(diǎn)追蹤體內(nèi)腫瘤組織。而化學(xué)家則利用其催化特性來(lái)驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。

據(jù)悉，索尼、三星、TCL多年前就相繼推出了搭載量子點(diǎn)的背光液晶電視，2022年全球量子點(diǎn)電視機(jī)銷(xiāo)量超過(guò)1200萬(wàn)臺(tái)。據(jù)美國(guó)2019年的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，全球已有超過(guò)120家公司在從事量子點(diǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究。

華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授姜雪峰認(rèn)為，量子點(diǎn)更大的應(yīng)用潛力可能在于各種微型器件中?！爱?dāng)人們對(duì)芯片的算力要求越來(lái)越高、信息存儲(chǔ)量越來(lái)越大，就需要更小的芯片和更高密度的存儲(chǔ)設(shè)備?！彼f(shuō)，當(dāng)材料的尺寸小到納米尺度，就會(huì)產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，而對(duì)量子點(diǎn)技術(shù)的掌握，則使人們可以在一定程度上避開(kāi)隧穿效應(yīng)，制造出更為尖端的微電子設(shè)備。

雖為色盲患者，卻為納米世界增色

今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)雖然沒(méi)有出現(xiàn)女性科學(xué)家的身影，卻出現(xiàn)了師生同獲諾獎(jiǎng)的佳話(huà)。如前文提到，巴文迪曾是布魯斯的博士后。

昨天清晨，巴文迪接到了來(lái)自斯德哥爾摩的電話(huà)，得知與導(dǎo)師布魯斯一同獲獎(jiǎng)后非常高興。在高興之余，他仍記掛著上午9點(diǎn)要給學(xué)生上課。然而，更令人驚訝的是，布魯斯竟是一位色盲患者。很難想象，研究光的學(xué)者竟無(wú)法靠自己的眼睛辨別顏色。據(jù)布魯斯的一位博士生透露，布魯斯曾表示：“雖然我看顏色和別人看得不一樣，但波長(zhǎng)會(huì)告訴我理論上的顏色！”

而本屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的另一個(gè)插曲，則是在結(jié)果公布前幾小時(shí)，有瑞典媒體報(bào)道稱(chēng)瑞典皇家科學(xué)院在一封電子郵件中提前泄露了獲獎(jiǎng)?wù)呙麊危罱K公布的結(jié)果與名單完全吻合。浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院研究員林世賢認(rèn)為，雖然這有悖于諾獎(jiǎng)委員會(huì)一貫嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，但獲獎(jiǎng)成就的重要性仍毋庸置疑，“早在多年前，這項(xiàng)工作就有很高的獲獎(jiǎng)呼聲，如今可謂實(shí)至名歸”。