三位化學家揭開神秘量子點

王莉萍

三位諾貝爾化學獎：（屏幕上，左至右）蒙吉·巴文迪、路易斯·布魯斯、阿列克謝·?；?。圖/法新

2023年度的諾貝爾化學獎，在正式發(fā)布之前，就鬧出了一個名單泄漏事件。

瑞典皇家科學院的一封標題為“他們?yōu)榧{米技術播下了重要種子”的電子郵件，比發(fā)布會提前四個多小時不小心泄露給了媒體。

郵件標題中的“他們”，是三位來自不同國家的研究人員。按北京時間10月4日17時45分正式揭曉的2023年諾貝爾化學獎獲得者名單，他們是來自法國的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美國的路易斯·布魯斯（Louis E. Brus），以及俄羅斯的阿列克謝·?；颍ˋlexey I. Ekimov）。

三位共享殊榮是因為他們發(fā)現(xiàn)并合成了量子點。

量子點是半導體納米晶體，直徑通常為2至10納米。量子點與足球的大小比例，大致相當于足球與地球的大小比例。然而，個頭雖小卻意義重大。

許多計算機顯示器、電視機、LED燈，就是使用量子點來創(chuàng)建每個像素的紅綠藍（RGB）顏色。此外，量子點還可以指導外科醫(yī)生切除腫瘤組織，以及在其他許多方面發(fā)揮作用。

“量子點具有許多引人入勝和不尋常的特性。重要的是，它們的顏色取決于它們的大小?！敝Z貝爾化學委員會主席約翰·奧奎斯特（Johan Aqvist）說。

小到難以置信，科學家是怎么發(fā)現(xiàn)的？

三位獲獎者成功地制造出了小到其性質(zhì)由量子現(xiàn)象決定的粒子，簡單來說，改變量子點的尺寸大小就可以完全改變它們的性質(zhì)，如磁性能、電性能、熱性能和催化性質(zhì)。換句話說就是，量子點可發(fā)出的光的顏色，可以通過改變它們的尺寸來調(diào)節(jié)。

在諾貝爾化學獎發(fā)布會上，約翰·奧奎斯特通過圖片展示解釋說，每一個微小顆粒是一個微小晶體，肉眼不可見，把相同的簡單物質(zhì)組成的納米顆粒放在幾個小燒瓶內(nèi)，顯示的顏色卻不同?！斑@就是量子效應，最小的量子點發(fā)出藍光，稍大一點則發(fā)出黃光、紅光，只因大小不同?！?/p>

“他們發(fā)現(xiàn)了制造量子點的可能性。”這是78歲的阿列克謝·?；?、80歲的路易斯·布魯斯和62歲的蒙吉·巴文迪的獲獎理由。

在20世紀80年代初，阿列克謝·埃基莫夫成功地在有色玻璃中創(chuàng)造出了依賴于尺寸的量子效應，這種顏色來自氯化銅的納米顆粒，他將這一結果發(fā)表在前蘇聯(lián)科研期刊上。路易斯·布魯斯則證明了由于量子效應的存在，僅僅粒子的大小就能影響玻璃的顏色。

其實，在埃基莫夫和布魯斯之前，科學家早已知道，納米顆?？赡軗碛欣碚撋系牟粚こＬ匦浴?937年，物理學家赫伯特·弗勒利希預測，納米粒子的行為有別于其他粒子。他探索了薛定諤方程的理論結果——當粒子變得極小時，材料中電子（既是波又是粒子）的空間就會減少，于是它們被擠壓到一起。弗勒利希意識到這將導致材料特性發(fā)生巨大變化。

當研究人員檢測到顆粒吸收的光發(fā)生變化時，他們就明白，從原理上講，他們現(xiàn)在研究的是一種全新的材料。

學界同行利用數(shù)學工具成功地預測許多與尺寸相關的量子效應，但努力嘗試在現(xiàn)實世界里展示量子效應時，科學家卻遇到重重障礙，其難度就好比雕刻一個相當于針頭百萬分之一大小的結構。

在很長一段歲月里，沒有人相信能制造出這么微小的顆粒。

雖然科學界在上世紀70年代有所突破，但效果不盡如人意。想要讓量子點發(fā)揮作用，就必須精確控制溶液中納米顆粒的大小和表面。

直到1993年，蒙吉·巴文迪徹底改變了量子點的化學生產(chǎn)方式，產(chǎn)生了近乎完美的粒子，而這種高質(zhì)量密切關系到其實際應用。

現(xiàn)在，量子點已成為納米技術工具箱的重要組成部分，并在商業(yè)產(chǎn)品中得到應用。其發(fā)光的特性，被用于基于QLED技術的計算機和電視，在它們的屏幕中，藍光是由榮獲2014年諾貝爾物理學獎的節(jié)能二極管產(chǎn)生的。用量子點改變部分藍光的顏色，將其轉(zhuǎn)換為紅色或綠色，這使得電視屏幕產(chǎn)生所需的三原色成為可能。

同樣，一些LED燈中也使用了量子點來調(diào)節(jié)二極管的冷光。光線可以變得像日光一樣明亮，或者像暖光燈泡發(fā)出的溫暖光芒一樣柔和。

量子點這一特性也被用于生物化學和醫(yī)學。比如，生物化學家將量子點附著在生物分子上，就可以繪制細胞和器官圖譜；醫(yī)生已經(jīng)開始研究量子點追蹤體內(nèi)腫瘤組織的潛在用途。

研究人員相信，未來，量子點可以為柔性電子產(chǎn)品、微型傳感器、纖薄的太陽能電池，甚至加密量子通信作出貢獻。

可以說，本年度三位化學獎獲獎者的成就，是科學技術發(fā)展中的一塊重要的里程碑。

三位科學家不同人生，合寫同一故事

三位獲獎者，生于法俄美三個不同國家。

?；?945年出生于蘇聯(lián)，1999年以來，他移居美國，在美國納米晶體技術公司任首席科學家。此前，作為俄羅斯固體物理學家，?；虮粏我晃镔|(zhì)可以產(chǎn)生不同顏色的玻璃這一現(xiàn)象所吸引。

據(jù)期刊《世界科學》一篇文章介紹，?；?qū)⑷廴诓ＡЪ訜岬?00°C-700°C，加熱時間從1小時到96小時不等。一旦玻璃冷卻并硬化后，他緊接著用X射線檢查。散射光線表明，玻璃內(nèi)部形成了微小的氯化銅晶體，而制造過程會影響這些顆粒的尺寸。在一些玻璃樣品中，晶體只有約2納米，而在其他玻璃樣品中，它們可達到30納米。

有趣的是，事實證明玻璃吸收光的情況受到晶體顆粒尺寸的影響。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。1981年，作為一名固體物理學家的埃基莫夫在前蘇聯(lián)的一本科學期刊上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。

彼時，遠在美國的布魯斯，沒有看到?；虻恼撐摹赡旰蟮?983年，布魯斯在溶液中自由漂浮的粒子中發(fā)現(xiàn)與尺寸相關的量子效應。他和?；虻玫降哪Ｊ绞且粯拥摹Ｗ釉叫?，它們吸收的光就越藍。

三位諾貝爾化學獎獲得者發(fā)現(xiàn)并合成了量子點。圖/法新

1943年出生于美國的布魯斯，自1996年起加入哥倫比亞大學，擔任化學系教授。布魯斯在高中期間對化學和物理產(chǎn)生了興趣，1969年獲得博士學位后，他以中尉身份加入華盛頓特區(qū)的美國海軍研究實驗室，擔任科學參謀。

四年后，布魯斯離開海軍，加入了著名的貝爾實驗室。后來發(fā)現(xiàn)量子點的工作，正是布魯斯在貝爾實驗室期間完成的。令幾乎所有科學家羨慕的是，在貝爾實驗室的23年里，布魯斯從未寫過研究計劃和預算，新想法只要跟管理層進行非正式討論，然后就能進行。

此次名單泄漏事件發(fā)生后，有媒體先于發(fā)布會知曉了獲獎者名單，一家廣播電臺第一時間聯(lián)系到布魯斯，并告知他獲獎的消息，布魯斯的反應是：“如果證實這是真的，將感到非常高興?！彼€說，“我寧愿在早上晚些時候回應。我仍然昏昏沉沉，但這顯然是一種莫大的榮幸?！?/p>

今年的第三位諾貝爾化學獎得主巴文迪，1988年來到布魯斯的實驗室，開始做博士后工作。在那里，他們一直在試圖改進量子點的生產(chǎn)方法，只為形成良好的納米晶體。

這個工作對巴文迪的影響很深，直到在麻省理工學院（MIT）擔任研究負責人后，他還在繼續(xù)努力生產(chǎn)更高質(zhì)量的納米顆粒。最終，巴文迪制造的納米晶體近乎完美，產(chǎn)生了獨特的量子效應。這種生產(chǎn)方法簡單易用，因而具有革命意義——越來越多的化學家開始用納米技術作研究，并且開始研究量子點的獨特性質(zhì)。

1961年出生于法國的巴文迪，在麻省理工學院工作了62年。據(jù)媒體報道，巴文迪的第一次大學化學考試只考了20分。“那時候我剛進哈佛，我打算用我高中的學習方法來應付大學學業(yè)，也就是‘完全沒有方法?！卑臀牡险f，“我嚇壞了，很沮喪，打算就此退學?！?/p>

在一次采訪中，巴文迪被問到“在朋友、工作、睡眠中選兩個，他會選哪個”，巴旺迪說，他這一生從沒睡飽過。巴文迪向大家傳授他不睡覺的經(jīng)驗：“要是你喜歡工作，你就去工作?！?/p>

據(jù)媒體報道，消息公布后，巴文迪表示，他“非常驚訝、在夢中、震驚且非常榮幸”。他在新聞發(fā)布會上通過電話表示：“我是被瑞典學院叫醒的。我睡得很香?！痹诋斕旖邮茈娫掃B線采訪時，巴文迪表示，他對獲獎感到意外，“完全出乎意料”，為此感到榮幸。

本屆諾貝爾化學獎的三位得主實至名歸，各自在量子點發(fā)展的不同階段貢獻了自己的智慧。其實，近些年，科學研究跨領域、跨學科的交叉研究越來越多，通常是不同專業(yè)的研究人員廣泛開展合作，或者同一領域多個團隊競爭同一個研究方向。

本年度的諾貝爾科學類獎項也彰顯了這一趨勢，無一例外都是不止一名科學家獲得殊榮：生理學或醫(yī)學獎由兩位科學獎分享，物理獎和化學獎則都是有三位科學家獲獎。

諾貝爾獎規(guī)定同一獎項最多只能授予三名獲獎者。也許，未來，諾貝爾獎會與時俱進更改一些規(guī)則。