三位化学家揭开神秘量子点

王莉萍

三位诺贝尔化学奖：（屏幕上，左至右）蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯、阿列克谢·埃基莫夫。图/法新

2023年度的诺贝尔化学奖，在正式发布之前，就闹出了一个名单泄漏事件。

瑞典皇家科学院的一封标题为“他们为纳米技术播下了重要种子”的电子邮件，比发布会提前四个多小时不小心泄露给了媒体。

邮件标题中的“他们”，是三位来自不同国家的研究人员。按北京时间10月4日17时45分正式揭晓的2023年诺贝尔化学奖获得者名单，他们是来自法国的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国的路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus），以及俄罗斯的阿列克谢·埃基莫夫（Alexey I. Ekimov）。

三位共享殊荣是因为他们发现并合成了量子点。

量子点是半导体纳米晶体，直径通常为2至10纳米。量子点与足球的大小比例，大致相当于足球与地球的大小比例。然而，个头虽小却意义重大。

许多计算机显示器、电视机、LED灯，就是使用量子点来创建每个像素的红绿蓝（RGB）颜色。此外，量子点还可以指导外科医生切除肿瘤组织，以及在其他许多方面发挥作用。

“量子点具有许多引人入胜和不寻常的特性。重要的是，它们的颜色取决于它们的大小。”诺贝尔化学委员会主席约翰·奥奎斯特（Johan Aqvist）说。

小到难以置信，科学家是怎么发现的？

三位获奖者成功地制造出了小到其性质由量子现象决定的粒子，简单来说，改变量子点的尺寸大小就可以完全改变它们的性质，如磁性能、电性能、热性能和催化性质。换句话说就是，量子点可发出的光的颜色，可以通过改变它们的尺寸来调节。

在诺贝尔化学奖发布会上，约翰·奥奎斯特通过图片展示解释说，每一个微小颗粒是一个微小晶体，肉眼不可见，把相同的简单物质组成的纳米颗粒放在几个小烧瓶内，显示的颜色却不同。“这就是量子效应，最小的量子点发出蓝光，稍大一点则发出黄光、红光，只因大小不同。”

“他们发现了制造量子点的可能性。”这是78岁的阿列克谢·埃基莫夫、80岁的路易斯·布鲁斯和62岁的蒙吉·巴文迪的获奖理由。

在20世纪80年代初，阿列克谢·埃基莫夫成功地在有色玻璃中创造出了依赖于尺寸的量子效应，这种颜色来自氯化铜的纳米颗粒，他将这一结果发表在前苏联科研期刊上。路易斯·布鲁斯则证明了由于量子效应的存在，仅仅粒子的大小就能影响玻璃的颜色。

其实，在埃基莫夫和布鲁斯之前，科学家早已知道，纳米颗粒可能拥有理论上的不寻常特性。1937年，物理学家赫伯特·弗勒利希预测，纳米粒子的行为有别于其他粒子。他探索了薛定谔方程的理论结果——当粒子变得极小时，材料中电子（既是波又是粒子）的空间就会减少，于是它们被挤压到一起。弗勒利希意识到这将导致材料特性发生巨大变化。

当研究人员检测到颗粒吸收的光发生变化时，他们就明白，从原理上讲，他们现在研究的是一种全新的材料。

学界同行利用数学工具成功地预测许多与尺寸相关的量子效应，但努力尝试在现实世界里展示量子效应时，科学家却遇到重重障碍，其难度就好比雕刻一个相当于针头百万分之一大小的结构。

在很长一段岁月里，没有人相信能制造出这么微小的颗粒。

虽然科学界在上世纪70年代有所突破，但效果不尽如人意。想要让量子点发挥作用，就必须精确控制溶液中纳米颗粒的大小和表面。

直到1993年，蒙吉·巴文迪彻底改变了量子点的化学生产方式，产生了近乎完美的粒子，而这种高质量密切关系到其实际应用。

现在，量子点已成为纳米技术工具箱的重要组成部分，并在商業产品中得到应用。其发光的特性，被用于基于QLED技术的计算机和电视，在它们的屏幕中，蓝光是由荣获2014年诺贝尔物理学奖的节能二极管产生的。用量子点改变部分蓝光的颜色，将其转换为红色或绿色，这使得电视屏幕产生所需的三原色成为可能。

同样，一些LED灯中也使用了量子点来调节二极管的冷光。光线可以变得像日光一样明亮，或者像暖光灯泡发出的温暖光芒一样柔和。

量子点这一特性也被用于生物化学和医学。比如，生物化学家将量子点附着在生物分子上，就可以绘制细胞和器官图谱；医生已经开始研究量子点追踪体内肿瘤组织的潜在用途。

研究人员相信，未来，量子点可以为柔性电子产品、微型传感器、纤薄的太阳能电池，甚至加密量子通信作出贡献。

可以说，本年度三位化学奖获奖者的成就，是科学技术发展中的一块重要的里程碑。

三位科学家不同人生，合写同一故事

三位获奖者，生于法俄美三个不同国家。

埃基莫夫1945年出生于苏联，1999年以来，他移居美国，在美国纳米晶体技术公司任首席科学家。此前，作为俄罗斯固体物理学家，埃基莫夫被单一物质可以产生不同颜色的玻璃这一现象所吸引。

据期刊《世界科学》一篇文章介绍，埃基莫夫将熔融玻璃加热到500°C-700°C，加热时间从1小时到96小时不等。一旦玻璃冷却并硬化后，他紧接着用X射线检查。散射光线表明，玻璃内部形成了微小的氯化铜晶体，而制造过程会影响这些颗粒的尺寸。在一些玻璃样品中，晶体只有约2纳米，而在其他玻璃样品中，它们可达到30纳米。

有趣的是，事实证明玻璃吸收光的情况受到晶体颗粒尺寸的影响。最大的颗粒吸收光的方式与氯化铜通常的吸收方式相同，但颗粒越小，它们吸收的光越蓝。1981年，作为一名固体物理学家的埃基莫夫在前苏联的一本科学期刊上发表了这一发现。

彼时，远在美国的布鲁斯，没有看到埃基莫夫的论文。两年后的1983年，布鲁斯在溶液中自由漂浮的粒子中发现与尺寸相关的量子效应。他和埃基莫夫得到的模式是一样的——粒子越小，它们吸收的光就越蓝。

三位诺贝尔化学奖获得者发现并合成了量子点。图/法新

1943年出生于美国的布鲁斯，自1996年起加入哥伦比亚大学，担任化学系教授。布鲁斯在高中期间对化学和物理产生了兴趣，1969年获得博士学位后，他以中尉身份加入华盛顿特区的美国海军研究实验室，担任科学参谋。

四年后，布鲁斯离开海军，加入了著名的贝尔实验室。后来发现量子点的工作，正是布鲁斯在贝尔实验室期间完成的。令几乎所有科学家羡慕的是，在贝尔实验室的23年里，布鲁斯从未写过研究计划和预算，新想法只要跟管理层进行非正式讨论，然后就能进行。

此次名单泄漏事件发生后，有媒体先于发布会知晓了获奖者名单，一家广播电台第一时间联系到布鲁斯，并告知他获奖的消息，布鲁斯的反应是：“如果证实这是真的，将感到非常高兴。”他还说，“我宁愿在早上晚些时候回应。我仍然昏昏沉沉，但这显然是一种莫大的荣幸。”

今年的第三位诺贝尔化学奖得主巴文迪，1988年来到布鲁斯的实验室，开始做博士后工作。在那里，他们一直在试图改进量子点的生产方法，只为形成良好的纳米晶体。

这个工作对巴文迪的影响很深，直到在麻省理工学院（MIT）担任研究负责人后，他还在继续努力生产更高质量的纳米颗粒。最终，巴文迪制造的纳米晶体近乎完美，产生了独特的量子效应。这种生产方法简单易用，因而具有革命意义——越来越多的化学家开始用纳米技术作研究，并且开始研究量子点的独特性质。

1961年出生于法国的巴文迪，在麻省理工学院工作了62年。据媒体报道，巴文迪的第一次大学化学考试只考了20分。“那时候我刚进哈佛，我打算用我高中的学习方法来应付大学学业，也就是‘完全没有方法。”巴文迪说，“我吓坏了，很沮丧，打算就此退学。”

在一次采訪中，巴文迪被问到“在朋友、工作、睡眠中选两个，他会选哪个”，巴旺迪说，他这一生从没睡饱过。巴文迪向大家传授他不睡觉的经验：“要是你喜欢工作，你就去工作。”

据媒体报道，消息公布后，巴文迪表示，他“非常惊讶、在梦中、震惊且非常荣幸”。他在新闻发布会上通过电话表示：“我是被瑞典学院叫醒的。我睡得很香。”在当天接受电话连线采访时，巴文迪表示，他对获奖感到意外，“完全出乎意料”，为此感到荣幸。

本届诺贝尔化学奖的三位得主实至名归，各自在量子点发展的不同阶段贡献了自己的智慧。其实，近些年，科学研究跨领域、跨学科的交叉研究越来越多，通常是不同专业的研究人员广泛开展合作，或者同一领域多个团队竞争同一个研究方向。

本年度的诺贝尔科学类奖项也彰显了这一趋势，无一例外都是不止一名科学家获得殊荣：生理学或医学奖由两位科学奖分享，物理奖和化学奖则都是有三位科学家获奖。

诺贝尔奖规定同一奖项最多只能授予三名获奖者。也许，未来，诺贝尔奖会与时俱进更改一些规则。