微小“量子点”粒子斩获2023年诺贝尔化学奖

原文作者：Katharine Sanderson & Davide Castelvecchi

Moungi Bawendi，Louis Brus和Alexei Ekimov因发光纳米粒子方面的工作而获奖，这一发现被广泛应用于从电子到外科等领域。

三位预测并首次制造量子点（通过不寻常方式与光相互作用的微小纳米级晶体）的化学家被授予诺贝尔化学奖。

麻省理工学院的Moungi Bawendi，哥伦比亚大学的Louis Brus和纽约纳米晶体技术公司的Alexei Ekimov将平分1100万瑞典克朗（约100万美元）奖金。

“这对量子点领域是个惊奇的结果”，伦敦国王学院的物理学家Mark Green说。“Brus和Ekimov提供的理论框架在1993年Bawendi的开创性论文中成为现实，从而孕育了现已成熟的科学。”

量子点是微小的半导体晶体，只有几千个原子的大小，具有单个原子的某些性质。这让它们能被调整以发射特定波长的光。例如，硒化镉的量子点如果极为微小会发蓝光，但较大的晶体则会发红光。量子点广泛应用于需要特定波长光的场景，从更亮的电视显示器到生物成像。

获奖名单在官方宣布之前就被泄露，当时新闻稿的电子邮件被意外发送给瑞典媒体。在宣布获奖者后的新闻发布会上，Bawendi说睡得正香，对泄漏毫无所知。他被诺贝尔委员会的电话惊醒，得知获奖时感到“非常吃惊、困、震惊......也非常荣幸”。他说，“我没想到会获奖，因为那么多人都在共同努力，这个领域还有很多激动人心的工作要做。”

连接点

Ekimov于1981年首次在掺有氯化铜颗粒的有色玻璃中观察到尺寸相关的光效应[1]。两年后，Louis Brus在研究太阳能应用的半导体粒子时，在溶液中制备了量子点[2]。Green说，“Brus把半导体和粒子大小联系起来，不过在Bawendi的开创性研究之前，它仍然是一个相对难以实现且开发很少的材料系统。”

Bawendi开发了一种制造特定尺寸量子点的方法，结合了无机和有机金属技术，能精确控制半导体颗粒的制造[3]。这涉及将所需化学物质注入到热溶剂中，导致晶体突然形成。然后将混合物从热源移开，晶体的生长速度减慢，它们都具有相同的尺寸和质量。

“如果想要每个原子都能起作用，并能规模化，那么化学家的方法非常有价值。”宾夕法尼亚大学化学家Christopher Murray说。在诺奖委员会引用的那篇1993年论文的工作中，他是Bawendi的博士研究生和共同作者。他说醒来时候不知道泄漏的争议，听到这个消息非常高兴。

他解释说，赋予粒子名字的量子效应来自当粒子越来越小时，电子及其量子能级如何变化。随着量子点达到纳米尺度，电子开始受限于周围环境的大小。一旦该尺寸小于电子可以移动的自然体积，电子就会通过改变其能级来做出反应。这反过来又改变了这些系统与光相互作用的方式。

纳米技术里程碑

“很长一段时间以来，制造这么小的粒子都被当作天方夜谭。但今年的获奖者成功了。”诺贝尔化学委员会主席Johan Aqvist在宣布获奖者时说，“这一成就代表了纳米技术的一个重要里程碑。“

量子点现已成为主流，在数百万美元产业中用于电视显示屏。Murray表示，他刚开始和Bawendi工作时，人们曾怀疑提供经费给使用化学方法在极微小水平上控制材料是否值得。他说：“很高兴看到这项投资获得了可观的回报。”

现在生产量子点已经变成一个相当简单直接的化学过程，Murray说，它可以找到更多的应用。能够调整粒子与光相互作用的方式可以帮助工程师开发低成本的光学探测器和传感器，这是自动运输的重要组成部分。集成量子点到具有独特形状、质地和密度的材料中也成为可能。

类似的概念已被应用到量子计算平台，旨在利用量子现象来完成普通计算机无法实现的计算。研究人员可以在硅芯片上制造具有量子点特性的设备，然后操纵困在其中的单个电子的自旋。荷兰代尔夫特理工大学的物理学家Lieven Vandersypen说：“这两种类型的量子点都很小，量子点中电子的限制导致量子化轨道，就像在原子中一样。”

“无关国籍”

8月底，诺贝尔基金会宣布将邀请俄罗斯和白俄罗斯大使参加12月诺贝尔奖颁奖典礼，但几天后公众反响愤怒，委员会撤销了这一决定。当被问及在俄罗斯出生的Ekimov是否能亲自领取他的奖项时，瑞典皇家科学院秘书长Hans Ellegren在新闻发布会上说，在选择诺贝尔奖时，“我们仅遵循找到最重要发现的流程。然后，我们确定这些发现的最重要贡献者。”

“这意味着国籍在此无关。”