2023年诺贝尔化学奖解析：从发现之路到未来展望再到科技的变革

2023年诺贝尔化学奖得主，从左起: Moungi Bawendi，Louis Brus 和 Alexei Ekimov。

Hello，大家好，欢迎来到Masir的公众号，今天我们来简单解读下2023诺贝尔化学奖的发现与成果。

科学没有边界！这是我这次研读完诺贝尔化学奖之后的个人感受。

其实我们之前在物理学开篇的时候就谈过，人对科学的认知都是从现象 > 经验 > 实验 > 计算，在这个过程中不断分出了很多学科，但是任何学科最后都可以归类为物理话题。—— 科学羊

北京时间10月4日下午5点45分许，瑞典皇家科学院宣布将2023年诺贝尔化学奖授予给美国麻省理工学院教授蒙吉•G•巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美国哥伦比亚大学教授路易斯•E•布鲁斯(Louis E. Brus)和美国纳米晶体科技公司科学家阿列克谢•伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)，以表彰他们在“发现和合成量子点”方面的贡献。

想象一下，你正在实验室拿着一个光学显微镜观察一个几纳米宽的微粒，你发现这个如此微小的纳米晶体，而且它的“行为”居然也像一个原子。

为什么说是像原子行为呢？

其实指的是这个微粒的电子能级是分立的，就像原子。

在宏观尺度的固体中，电子的能级形成了一个连续的带，例如导带和价带。但是，在这种微粒中，由于其纳米尺寸，电子被限制在一个非常小的空间中，导致其能级变得分立。这种效应被称为“量子尺寸效应”。

所以，当我们说量子点的行为类似于原子，我们是指它们都有分立的电子能级，这导致了它们的独特光学性质。

这种粒子就是我们今天要说的主角 —— 量子点。

这次2023年诺贝尔化学奖授予，就是因他们发现一类如今被称为量子点的微小奇迹，并开发出精确的合成方法，所以才取得了如此伟大的成绩。

诺贝尔化学委员会在颁奖仪式上表示，量子点已经在电子和生物医学领域发挥了重要作用，例如在药物输送、成像和医疗诊断等领域，并且在未来有着更加广阔的应用前景。

量子点，有时也被称为人造原子，它是由硅和其他半导体材料制成的精确纳米晶体，只有几纳米宽，虽然它们只有一百到几千个原子那么大，但是小到可以像单个原子一样展现出量子特性。

由于电子可以被捕获在它们内部的特定能级，纳米晶体只能发射特定波长的光。通过控制粒子的大小，研究人员可以精确地编程量子点在受到刺激时闪烁的颜色。

诺贝尔化学奖委员会主席约翰 · 阿奎斯特(Johan Åqvist)在诺贝尔奖颁奖仪式上展示了一系列五个烧瓶，每个烧瓶里的液体发出不同的颜色。这种液体只能容纳百万分之几毫米大小的量子点的液体溶液。

可见，在这么小的尺寸下，“量子力学可以玩各种各样的把戏”。

诺贝尔化学委员会成员、纳米物理学教授海纳 · 林克解释说:量子点可以被看作是整个纳米技术领域的一个里程碑。

从科学角度讲，量子力学预测，如果你把一个电子压缩到一个很小的空间里，电子的波函数就会受到压缩。

空间越小，电子的能量就越大，这意味着它可以给光子提供更多的能量。

从本质上讲，量子点的大小决定了它发出什么颜色的光。

最小的粒子发出蓝光，而较大的粒子发出黄色和红色的光。

20世纪70年代，物理学家们知道量子现象在理论上应该与极小尺寸的粒子相关联，就像它们与超薄膜相关联一样，但是这个预测似乎无法验证: 似乎没有制造和处理粒子的好方法，除非在其他材料内部能够掩盖粒子的性质。

1981年在苏联瓦维洛夫国家光学研究所，埃基莫夫改变了这一切。在向玻璃中添加铜和氯的化合物时，他发现玻璃的颜色完全取决于添加的粒子的大小。他很快意识到量子效应是可能的解释。

1983年，布鲁斯在贝尔实验室进行利用光驱动化学反应的实验。布鲁斯(现在哥伦比亚大学)注意到，即使在液体溶液中自由漂浮，纳米粒子的大小也会影响它们的光学性质。

在1993年，巴文迪发明了一种“巧妙的化学方法”来制造完美的纳米颗粒。

主席约翰 · 阿奎斯特表示：他能够控制晶体形成的确切时间，然后他能够停止并以一种可控的方式重新开始进一步的生长。他的发现使量子点在各种应用中广泛应用。

而纳米颗粒的应用范围从 LED 显示屏和太阳能电池到生物化学和医学成像，“这些成就代表了纳米技术的一个重要里程碑”。

量子点是什么？

专业点说，它们是人造纳米颗粒，非常小，其特性由量子力学决定。这些特性包括光的发射: 它们发射的光的波长完全取决于粒子的大小。较大粒子中的电子能量较少，发出红光，而较小粒子中的电子能量较多，发出蓝光。

Merrill Sherman/Quanta Magazine资料来源: 瑞典皇家科学院

通过调节量子点的大小，研究人员可以精确地确定量子点将发出什么颜色的光。这比使用其他类型的荧光分子提供了一个巨大的优势，因为每一种不同的颜色都需要一种新型的分子。

这种可控性的优势并不局限于量子点的颜色。通过调整纳米颗粒的大小，研究人员还可以调整它们的电学、光学和磁学效应，以及物理性质，如它们的熔点或它们如何影响化学反应。

Bawendi 的工作是如何使量子点实用化的？

1993年，Bawendi 和他在麻省理工学院的团队开发了一种比以前更精确、更高质量地生产量子点的方法。

他们发现了一种方法，通过将其化学前体注入一种极热的溶剂，可以在瞬间生长出纳米晶体。然后，研究人员通过降低溶剂的温度，立即停止了晶体的生长，制造出无限小的晶体“种子”通过缓慢地重新加热溶液，他们可以调节纳米晶体的进一步生长。

他们的方法可以重复生产所需尺寸的晶体，并且适用于不同的系统。

量子点在哪里被使用？

三星 QLED 电视 8K, 75英寸（190厘米）

图片来自维基百科

如果你曾经在 QLED 电视上看过节目，你就会看到这些纳米粒子在起作用。但它们也被用于生物医学成像和照明。

研究人员仍在探索这些纳米粒子在量子计算和通信、柔性电子学、传感器、高效太阳能电池和太阳能燃料催化方面的其他应用。

好，今天就像这样了！

Masir - 2023/10/16

于 东莞

祝幸福~

PS:这是一个关于微观角度展示成果的时间线~

参考文献：

[1] . Nobel Prize Honors Inventors of ‘Quantum Dot’ Nanoparticles | Quanta Magazine

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