2023年诺贝尔化学奖揭晓！“量子点技术”斩获殊荣

10月4日，瑞典皇家科学院宣布，2023年诺贝尔化学奖授予三位探索纳米和量子点领域的先驱：美国麻省理工学院 (MIT)教授蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi），美国哥伦比亚大学的路易斯·布鲁斯 (Louis E. Brus)，以及美国纳米晶体技术公司科学家阿列克谢·伊基莫夫(Alexei I. Ekimov)，以表彰他们对量子点的发现和研究。

2023 年诺贝尔化学奖表彰了量子点的发现和发展。量子点是如此之小，以至于决定了它们独特的性质。

这些粒子具有独特的性质，现在电视屏幕和 LED 灯中都散发着来自它们的光。它们可以催化化学反应，其明亮的光线可以为外科医生照亮肿瘤组织。

研究人员目前主要利用量子点来创造彩色光。他们认为，在未来，量子点可以为柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池做出贡献，甚至可能用于加密量子通信。

相信大家对于“量子点”已经听过很多次了，这里不再赘述。诺贝尔奖官方指出，量子点如今已是纳米技术“工具箱”的重要组成部分，而这三位得主都是探索纳米世界的先驱。

在 20 世纪 80 年代初，两位获奖者（Louis Brus 和 Alexei Ekimov）分别成功且独立制造出了“量子点”。这些量子点是如此之小，而其尺寸则决定了它们的性质。

那么，随着今年诺贝尔化学奖的公布，量子点纳米技术的产业化是否将迎来“春天”？

开拓“量子点”技术的先驱

简单来说，纳米晶体指晶粒为纳米尺寸的晶体材料，或具有晶体结构的纳米颗粒，一般尺寸小于100纳米。直径小于10nm的半导体纳米晶体，则通常被称为量子点（Quantum Dot）。

而“量子点”这个名字，来源于其独特的量子限域效应或者量子尺寸效应，又称“半导体纳米晶”。

从本质上讲，量子点是一种微小的半导体材料技术。而半导体材料是信息社会的基石，纳米晶体材料的改变会导致电子结构发生变化。

量子点大体为两种类型：电发射型（电致发光）和光发射型。其中，光发射量子点可以用在显示器层中，用于转换来自LED背光的单色蓝光，以发射用于LCD屏幕的纯色光；电发射量子点被用作发光二极管，类似于有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）或microLED显示器，但采用电发射量子粒子的电视机目前仍然处于实验阶段。

早在1937年，物理学家 Herbert Frohlich 就预见了纳米粒子的行为与常规粒子有所不同。他基于薛定谔方程的理论结果指出，当粒子尺寸极小，材料中的电子空间将会减少，导致电子（具有波粒二象性）被压缩在一起。Frohlich认为这会导致材料的特性发生显著变化。

20世纪70年代，研究人员成功地制造了纳米结构，并通过分子束在块状材料上形成了纳米薄层。随后，他们发现该涂层的光学特性随厚度变化，这与量子力学的预测一致。

然而，量子力学的实验需要超高真空和接近绝对零度的环境，但当时的技术材料并不能真正解决和发现量子力学现象，整个实验和技术探索陷入了瓶颈。

三位化学奖得主则突破了技术瓶颈，它们发现“有色玻璃”相关技术材料会产生量子效应。

1980年左右，2023诺贝尔化学奖得主、当时在苏联的 SI Vavilov 国立光学研究所工作的阿列克谢·伊基莫夫(Alexei I. Ekimov) ，对单一物质能产生不同颜色的玻璃感到好奇。他用光学方法研究了有色玻璃，并生产出用氯化铜着色样本。经过各种热处理，玻璃中形成了不同大小的氯化铜微晶体。伊基莫夫发现，大颗粒的光吸收与氯化铜的常规光吸收一致，但当颗粒尺寸减小时，它们吸收的光变得较蓝。

从中，他认识到这是一个与材料技术有关的量子效应。1981年，他将这一研究成果发表在苏联科学期刊上——这是世界第一次有人成功研发出“量子点”技术材料。随后伊基莫夫移居美国，并于1999年被任命为美国纳米晶体技术公司（Nanocrystals Technology Inc.）首席科学家。

另一位得主路易斯·布鲁斯（Louis Brus），1983年在美国贝尔实验室证明硫化镉胶体的大小被改变的同时，其激子能量也随之变化。利用制造硫化镉的小颗粒，他发现随着时间的推移，这些颗粒的光学特性会改变。为了验证其观察，他比较了直径约为4.5nm和 12.5nm的颗粒的光学特性，从而得出“较小的颗粒，它们吸收的光越蓝”这一发现。

1983年，布鲁斯将这一研究成果对外发表，并进一步研究了其他物质的颗粒获得相同的结果——这是世界上第一位证明流体中自由漂浮的粒子的尺寸依赖性量子效应的科学家。2004年，他当选为美国国家科学院院士，目前还是美国哥伦比亚大学化学教授，鲍尔科学成就奖获得者。

今年第三位诺贝尔化学奖获得者蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi），则是彻底改变了量子点的生产模式。

1988年，巴文迪在布鲁斯的实验室开始博士后培训，当时正努力改进生产量子点的方法。他们试验了多种材料，努力形成结构良好的纳米晶体，但成果尚不理想。

后来，巴文迪在美国麻省理工学院继续研究，希望生产更高质量的纳米粒子。1993年，他带领的团队取得重大技术突破，研究人员在特定溶剂中注入物质形成了纳米晶体，并通过调整溶液温度成功控制了晶体的大小。它们所制得的纳米晶体接近完美，呈现出明显的量子效应，而生产方法简单高效。

上述三位的研究成果，开拓了“量子点”纳米技术时代。

来源：CINNO