轉自：藥渡

來源丨科研圈

2023 年 10 月 4 日，美籍法國-突尼斯裔化學家Moungi G． Bawendi、美國化學家Louis E． Brus和俄羅斯物理學家 Alexei I． Ekimov因“發現和合成量子點”獲得 2023 年諾貝爾化學獎。

芒吉·G． 巴文迪（Moungi G． Bawendi），1961年出生於法國巴黎。1988年畢業於美國伊利諾伊州芝加哥大學，獲博士學位。美國麻省理工學院（MIT）教授。

路易斯·E． 布魯斯（Louis E． Brus），1943 年出生於美國俄亥俄州克利夫蘭。1969 年獲美國哥倫比亞大學（Columbia University）博士學位。美國紐約哥倫比亞大學教授。

阿列克謝·I． 葉基莫夫（Alexei I． Ekimov），1945 年出生於蘇聯。1974 年畢業於俄羅斯聖彼得堡約菲物理技術研究所，獲博士學位。1999年起移居美國，就職於私人商業公司，曾任美國紐約納米晶體技術公司（Nanocrystals Technology Inc）首席科學家。

他們讓納米技術擁有了顏色

芒吉·巴文迪（Moungi G． Bawendi）、路易斯·布魯斯（Louis E． Brus）和阿列克謝· 葉基莫夫（Alexei I． Ekimov）因發現和開發量子點，共同榮獲2023年諾貝爾化學獎。量子點是一類微小顆粒，具有獨特的特性，已經應用在多個方面。例如，電視屏幕和LED燈的光線傳導都與此相關，它們可以催化化學反應，它們清晰的光線也能爲外科醫生照亮腫瘤組織。

“託託，我有一種感覺，我們已經不在堪薩斯了。”這是電影《綠野仙蹤》中的一句經典臺詞。當一場強大的龍捲風吹走了主人公多蘿西的房子時，十二歲的她暈倒在了牀上。當房子再次着陸，多蘿西抱着她的狗——託託走出門外時，一切都改變了。突然間，她進入了一個神奇的彩色世界。

如果一場魔法龍捲風席捲我們的生活，將一切都縮小到納米尺度，我們幾乎肯定會像奧茲國的多蘿西一樣感到驚訝。我們的周圍將會變得五光十色，一切都會改變。我們的金耳環會突然發出藍色的光芒，而手指上的金戒指會發出紅寶石般的光芒。如果我們嘗試在燃氣竈上煎東西，煎鍋可能會融化。我們的白色牆壁因油漆中含有二氧化鈦，還會開始產生大量的活性氧。

圖 1． 量子點爲我們創造彩色光提供了新的機會。

納米尺度

在納米世界中，事物的行爲會有所不同。一旦物質的大小開始以百萬分之一毫米爲單位，奇怪的現象——量子效應——就會出現，這會顛覆我們的直覺。2023年諾貝爾化學獎得主都是探索納米世界的先驅。20 世紀 80 年代初，路易斯·布魯斯和阿列克謝·葉基莫夫各自獨立地成功合成了量子點，這種納米粒子非常微小，量子效應決定了它們的特性。1993 年，芒吉·巴文迪徹底改變了製造量子點的方法，使其質量極高——這是它們應用於當今納米技術的重要先決條件。

多虧了這三位獲獎者的工作，現在人類能夠利用納米世界的一些奇特特性了。量子點現已出現在商業產品中，並應用於從物理、化學到醫學的許多學科。但在展開描述這些內容之前，讓我們先來揭開2023年諾貝爾化學獎的背景。

圖 2． 量子點是一種通常僅由幾千個原子組成的晶體。一個量子點相對於足球的大小，就像是足球相對整個地球的大小。

幾十年來，納米世界中的量子現象只是一種預測

當阿列克謝·葉基莫夫和路易斯·布魯斯合成出第一個量子點時，科學家已經知道，它們理論上可能擁有不尋常的特性。1937 年，物理學家赫伯特·弗勒利希（Herbert Fröhlich）就已經預測納米粒子的行爲不會像其他粒子一樣。他探索了著名的薛定諤方程的理論結果，該方程表明，當粒子變得極小時，材料中電子分佈的空間就會減少。因此，電子（既是波又是粒子）會被擠壓在一起。弗勒利希意識到這將使材料的特性發生巨大變化。

這種可能性吸引了許多研究者，他們利用數學工具成功地預測了許多量子尺寸效應。他們還努力嘗試在現實中呈現它們。但這說起來容易做起來難——科學家需要雕刻一個只有針頭一百萬分之一大小的結構。

利用量子效應

儘管如此，在 20 世紀 70 年代，研究人員還是成功製出了這種納米結構。他們利用一種分子束，在塊狀材料上製造出了一層納米級厚度的塗層。組裝完成後，他們發現該塗層的光學特性可以隨其厚度的變化而變化，這一觀察結果與量子力學的預測相吻合。

這是一項重大的突破，但需要非常先進的技術。研究人員需要超高真空和接近絕對零度的溫度，因此很少有人想到量子力學現象能夠得到實際應用。然而，科學時不時會帶來意想不到的結果，這一次，轉折點就出現在對一項古老發明的研究上：彩色玻璃。

單一物質可以賦予玻璃不同的顏色

對彩色玻璃最古老的考古發現距今已有數千年曆史。玻璃製造商已經測試了各種方法，以瞭解如何製造顏色各樣的的玻璃。爲此，他們添加了銀、金和鎘等物質，然後在不同的溫度下生產出了色澤美麗的玻璃。

在19世紀和20世紀，當物理學家開始研究光的光學特性時，玻璃製造商對光的瞭解就派上用場了。物理學家可以使用彩色玻璃來濾掉特定波長的光。爲了優化實驗，他們開始自己生產玻璃，並由此獲得了重要的發現。他們瞭解到的一件事是，一種物質就可以產生具有多種不同顏色的玻璃。例如，硒化鎘和硫化鎘的混合物可以使玻璃變成黃色或紅色——會產生哪一種顏色取決於熔融玻璃的加熱程度和冷卻方式。最後，他們還證明顏色的形成來源於玻璃內部形成的顆粒，並且可形成的顏色取決於顆粒的大小。

這大概是 20 世紀 70 年代末學界所瞭解的知識。今年的諾貝爾化學獎得主之一、彼時剛剛博士畢業阿列克謝·I．葉基莫夫（Alexei Ekimov）開始在蘇聯的聖彼得堡Vavilov國家光學研究所（Vavilov State Optical Institute）工作。

阿列克謝·葉基莫夫揭示了彩色玻璃的奧祕

同一種物質可以製造不同顏色的玻璃，這件事引起了葉基莫夫的興趣，因爲這實際上是不合邏輯的。如果你用鎘紅畫一幅畫，它永遠都會是鎘紅色，除非你混合其他顏料。那麼同一種物質爲何能賦予玻璃不同顏色呢？

在攻讀博士學位期間，葉基莫夫研究的是半導體，這是微電子學的重要組成部分。在該領域，光學方法被用作評估半導體材料質量的診斷工具。研究人員用光照射材料並測量吸光度，這能表徵材料是由什麼物質製成的，以及晶體結構的有序程度。

葉基莫夫熟悉這些方法，因此他開始用它們來檢查彩色玻璃。經過一些初步實驗後，他決定系統地生產用氯化銅着色的玻璃。他將熔融玻璃加熱到500°C到700°C，加熱時間從1小時到96小時不等。玻璃冷卻並硬化後，他進行了X射線檢查。散射光線顯示，玻璃內部形成了微小的氯化銅晶體，而製造的過程會影響這些顆粒的大小。在一些玻璃樣品中，它們只有約2納米大，而在其他玻璃樣品中，它們的尺度達到了30納米。

有趣的是，玻璃的光吸收會受到這些顆粒尺寸的影響。最大的顆粒吸收光的方式與氯化銅通常的吸收方式相同，但顆粒越小，它們吸收的光越藍。作爲一名物理學家，葉基莫夫非常熟悉量子力學定律，他很快意識到，他觀察到了與尺寸相關的量子效應。

這是科學家首次成功地刻意製造了量子點——一種引起尺寸依賴性量子效應的納米顆粒。1981年，葉基莫夫在蘇聯科學期刊上發表了他的發現，但這對於鐵幕另一邊的研究人員來說很難獲得。因此，1983年，當同樣是今年諾貝爾化學獎的獲得者——路易斯·布魯斯首次在溶液中發現了自由漂浮的粒子具備尺寸依賴性的量子效應時，他並不知道葉基莫夫的發現。

圖 3． 當粒子收縮時會產生量子效應。當粒子直徑僅爲幾納米時，電子可用的空間就會縮小。這會影響粒子的光學特性。

布魯斯證明粒子的奇怪特性是量子效應

路易斯·布魯斯（Louis Brus）當時在美國貝爾實驗室工作，他長期的研究目標是利用太陽能實現化學反應。爲了實現這一目標，他使用了硫化鎘顆粒。這種顆粒可以捕獲光，並利用其中的能量來驅動反應。布魯斯將溶液中的這些顆粒做得非常小，因爲這樣就有更大的區域可以發生化學反應；材料切得越碎越多，暴露在周圍環境中的表面積就越大。

在研究這些微小粒子的過程中，布魯斯注意到一些奇怪的事情——當他將它們放在實驗臺上一段時間後，它們的光學特性發生了變化。他猜測這可能是因爲顆粒變大了。爲了證實他的懷疑，他生產了直徑約爲 4.5 納米的硫化鎘顆粒。隨後，布魯斯比較了這些新制造的顆粒的光學特性和直徑約爲 12.5 納米的較大顆粒的光學特性。較大的顆粒和硫化鎘吸收相同波長的光，但較小顆粒的吸光度偏向藍色（圖 3）。

和葉基莫夫一樣，布魯斯明白他觀察到了與尺寸有關的量子效應。他於 1983 年發表了自己的發現，並開始研究一系列其他物質製成的顆粒。這些物質出現的模式是相同的——顆粒越小，它們吸收的光越藍。

元素週期表獲得了第三個維度

這裏，您可能會想問“爲什麼如果物質的吸光度稍微偏向藍色會很重要？這真的很神奇嗎？”

是的，光學性質的變化表明這種物質的特性完全改變了。一種物質的光學特性是由其電子控制的。同樣這些電子還會控制物質的其他特性，例如催化化學反應或導電的能力。因此，當研究人員檢測到物質的吸收度變化時，他們明白自己實際上正在研究一種全新的材料。

如果你想了解這一發現的重要性，你可以想象元素週期表突然有了第三個維度。元素的性質不僅受到電子層的數量和外層電子數的影響，而且在納米水平上，尺寸也很重要。一位想要開發新材料的化學家因此有了另一個因素需要考慮——當然，這也激發了研究人員的想象力！

只有一個問題。布魯斯用來製造非粒子的方法通常會導致質量不可預測。量子點是微小的晶體（圖2），當時生產出的量子點通常存在缺陷。它們的大小也各不相同。不過可以通過控制晶體的形成方式，使顆粒具有一個相對固定的平均尺寸，但如果研究人員希望溶液中所有顆粒的尺寸大致相同，就必須在製成後對它們進行分類。這是一個艱難的過程，會阻礙研究的發展。

芒吉·巴文迪徹底改變了量子點的生產

這是今年第三位諾貝爾化學獎獲得者決定要解決的問題。芒吉·巴文迪（Moungi Bawendi）於 1988 年在路易斯·布魯斯（Louis E． Brus）實驗室開始了博士後工作，這所實驗室中正在進行大量嘗試，以改進用於生產量子點的方法。研究者使用一系列溶劑、溫度和技術，對多種物質進行實驗，嘗試形成組織良好的納米晶體。他們得到的晶體的確在變得更好，但仍然不夠好。

然而，巴文迪並沒有放棄。他隨後開始在麻省理工學院（MIT）擔任研究負責人，並繼續努力生產更高質量的納米粒子。重大突破出現在 1993 年，當時研究小組將形成納米晶體的物質注入經過加熱且精心選擇的溶劑中。他們注入了恰好形成飽和溶液所需的物質量，從而導致微小的晶體胚胎開始同時形成（圖4）。

然後，通過動態改變溶液的溫度，巴文迪和研究團隊成功使特定尺寸的納米晶體生長了出來，在這個過程中，溶劑可以令晶體的表面變得光滑且均勻。

巴文迪生產的納米晶體幾乎是完美的，併產生了獨特的量子效應。同樣，由於生產方法很簡單，因此這帶來了革命性的突破——越來越多的化學家開始研究納米技術，並開始研究量子點的獨特性質。

圖4：

1．巴文迪將能形成硒化鎘的物質注入加熱的溶劑中，加入的量足以使針周圍的溶劑飽和。

2．硒化鎘的小晶體立即形成，但由於注射冷卻了溶劑，晶體會停止形成。

3．當巴文迪提高溶劑溫度時，晶體再次開始生長。這種情況持續的時間越長，晶體就會變得越大。

量子點的發光特性有了商業用途

三十年後的現在，量子點已成爲納米技術的重要工具，並出現在商業化的產品中。研究人員主要利用量子點來產生彩色光。如果用藍光照射量子點，它們會吸收光併發出一種不同的顏色。通過改變粒子的大小，我們可以精準確定它們的發光顏色（圖3）。

量子點的發光特性被用於基於QLED技術的計算機和電視屏幕，其中Q代表量子點。在這些屏幕中，藍光是使用獲得 2014 年諾貝爾物理學獎的節能二極管產生的。量子點被用來改變部分藍光的顏色，將其轉換爲紅色或綠色。這讓電視屏幕獲得了顯示圖像所需的三基色光。

一些LED燈也使用了量子點來調節二極管的冷光。這讓光線既能像日光一樣充滿活力，又能使其像暗淡燈泡發出的暖光一樣平靜。量子點發出的光也可用於生物化學和醫學。生物化學家將用量子點與生化分子相連接，以便繪製細胞和器官圖譜。醫生已經開始研究用量子點追蹤體內腫瘤組織的潛在效用。化學家利用量子點的催化特性來驅動化學反應。

量子點正在將其對人類的利益最大化，而我們纔剛剛開始探索它的潛力。研究人員相信，未來量子點可以爲柔性電子產品、微型傳感器、更纖薄的太陽能電池以及加密量子通信做出貢獻。有一點是肯定的——關於令人驚奇的量子現象，還有很多未知須要探索。

責任編輯：石秀珍 SF183