2023诺贝尔化学奖：量子物理学连接的三大化学巨头

光子盒研究院

周三（10月4日），2023年诺贝尔化学奖获奖者在斯德哥尔摩瑞典皇家科学院揭晓。

两位美国科学家和一位俄罗斯科学家因发现和合成量子点而荣获2023年诺贝尔化学奖——量子点的发现推动了纳米技术的革命。

该奖项由莫吉·巴文迪(Moungi Bawendi)、路易斯·布鲁斯(Louis Brus)和阿列克谢·叶基莫夫(Alexey Ekimov)平分，以表彰他们发现了纳米材料的独特性质以及如何制造纳米材料，为纳米材料在消费电子、生物化学和医学领域的广泛应用铺平了道路。瑞典皇家科学院宣布，这些颗粒“具有独特的特性，现在可以从电视屏幕和LED灯传播光线”。

巴文迪是美国麻省理工学院的法国和突尼斯裔化学家，布鲁斯在哥伦比亚大学工作，叶基莫夫是纽约“纳米晶体技术(Nanocrystals Technology)”公司的首席科学家。

量子点是一种微小的无机颗粒，在光线照射下会发出从红色到蓝色的各种颜色。它们发出的颜色取决于颗粒的大小。

科学家可以用包括金、石墨烯和镉在内的材料来设计量子点，并通过控制它们的大小来创造它们的颜色。最微小的粒子中电子最紧密，会发出蓝光。稍大的粒子，其中的电子反弹波长较长，会发出红光。

诺贝尔委员会在紫外光下使用含有不同尺寸颗粒的烧瓶展示了量子点的光学特性

量子点有时也被称为人造原子，是由硅和其他半导体材料制成的精确纳米晶体，宽度仅有几纳米，小到可以像单个原子一样表现出量子特性——尽管它们的大小只有几百到几千个原子。由于电子可被捕获在其中的特定能级上，纳米晶体只能发出特定波长的光。通过控制粒子的大小，研究人员可以精确设定量子点在受到刺激时会闪烁的颜色。

10月4日上午，诺贝尔化学奖委员会主席约翰·奥奎斯特(Johan Åqvist)在诺贝尔奖颁奖台上展示了一系列五个烧瓶，每个烧瓶中的液体都会发出不同的颜色。这些液体中装有量子点的液态溶液，其大小只有几百万分之一毫米。在这种微小的尺寸下，“量子力学开始玩出各种花样”，Åqvist 说。

量子点是一种人造材料，因其体积小而具有量子特性，可以精确制造，显示不同的颜色

粒子缩小时产生量子效应。当粒子的直径只有几纳米时，电子可利用的空间就会缩小；这会影响粒子的光学特性。

“很长一段时间以来，没有人可以真正制造出如此小的颗粒。但今年的获奖者成功了。”斯德哥尔摩瑞典皇家科学院诺贝尔化学委员会主席Johan Åqvist说道：“这一成就代表了纳米技术的一个重要里程碑。”

诺贝尔化学奖委员会成员、纳米物理学教授海纳·林克(Heiner Linke)解释说，量子力学预言，如果把电子挤进一个狭小的空间，电子的波函数就会被压缩。空间越小，电子的能量就越大，这意味着它可以为光子提供更多的能量。从本质上讲，量子点的大小决定了它闪耀的颜色：最小的粒子闪耀着蓝色的光芒，而较大的粒子则闪耀着黄色和红色的光芒。

到了20世纪70年代，物理学家知道量子现象在理论上应该与尺寸极小的粒子有关，就像它们与超薄薄膜有关一样，但这一预测似乎不可能得到验证：除了在其他材料中掩盖粒子的特性外，似乎没有制造和处理粒子的好办法。然而，1981年在苏联S.I.瓦维洛夫国立光学研究所，叶基莫夫改变了这一情况。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颗粒的大小。他很快意识到，量子效应很可能就是原因所在。

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（现就职于哥伦比亚大学）注意到，即使纳米粒子在液体溶液中自由漂浮，其大小也会影响它们的光学特性。林克说：“这引发了人们的浓厚兴趣。”

技术专家们并没有忽视这种微粒的潜在光电功能，他们效仿耶鲁大学的马克·里德(Mark Reed)，将其称为量子点。但在接下来的十年中，研究人员一直在努力精确控制这些微粒的尺寸和质量。

Åqvist说，1993年，巴文迪发明了一种“巧妙的化学方法”来制造完美的纳米粒子。他能够精确控制晶体形成的时间，然后以可控的方式停止和重新启动晶体的进一步生长——他的发现使量子点在各种应用中得到广泛应用。

巴文迪生产量子点的原理

这些纳米粒子的应用范围很广：从LED显示屏和太阳能电池到生物化学和医学成像，“这些成就是纳米技术的一个重要里程碑”，Åqvist说。

如今，量子点已普遍应用于电子显示和生物医学成像领域。量子点颗粒的荧光特性使研究人员能够追踪药物在人体内的输送情况，并研究肿瘤的精确位置和生长情况等。

量子点现已进入主流市场，并被用于电视显示屏——这是一个价值数百万美元的产业。穆雷说，当他和巴文迪开始他们的工作时，人们对是否值得资助在如此小的层面上利用化学来控制材料持怀疑态度；“现在，很高兴看到这项投资获得了可观的回报。”

穆雷说，现在生产量子点已经成为一种相当简单的化学过程，它们可以找到更多的应用：能够调整粒子与光的相互作用、可以帮助工程师开发低成本的光学探测器和传感器......例如，这是自主运输的一个重要组成部分；还可以将量子点集成到具有独特形状、纹理和密度的材料中。

量子计算也采用了类似的概念作为平台，其目的是利用量子现象来执行普通计算机不可能完成的计算。研究人员可以在硅芯片上制造出具有量子点特性的设备，然后操纵被捕获在其中的单个电子的自旋。荷兰代尔夫特理工大学物理学家利文·范德西彭(Lieven Vandersypen)解释说：“这两种量子点都很小，电子在量子点中的禁锢会导致量子化轨道，就像原子一样。”

然而，量子计算需要的量子点与电视显示器中的量子点不同，最近获得博士学位的索菲亚·帕托马基 (Sofia Patomäki) 表示。毕业于伦敦大学学院。除其他原因外，用于显示器的量子点通常使用针对可见光谱中的光进行优化的化学元素，而量子计算点则需要结合针对较低能量的光进行优化的元素。

量子点技术。量子点具有广泛的可调谐和独特的光学、电气、化学和物理特性。它们涵盖了能量收集、照明、显示、相机、传感器、通信和信息技术、生物学和医学等领域。这些特性已经被利用来实现高效的激光器、显示器、生物标签和市场上的太阳能采集设备，并且正在光伏、传感和量子信息领域出现。

量子点正在为人类带来最大的福祉，而我们才刚刚开始探索其潜力。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、更纤薄的太阳能电池以及加密的量子通信做出贡献。有一点是肯定的——关于令人惊奇的量子现象，还有很多东西需要了解。

此次，瑞典媒体在周三瑞典皇家科学院发布新闻稿的几个小时前就报道称，巴文迪、布鲁斯和埃基莫夫是最新的诺贝尔奖获得者；公共广播公司SVT表示，他们因“量子点的发现和合成”而获奖。

在正式宣布三名获奖者后，秘书长汉斯·埃勒格伦表示，瑞典科学院将调查这些信息是如何提前泄露出去的。

“出于尚不清楚的原因发布了一份新闻稿。今天早上我们非常积极地查明到底发生了什么，这非常不幸，我们对所发生的事情深感遗憾。”该学院负责颁发物理、化学和经济学奖，并提前一年向世界各地数千名大学教授和其他学者征求提名。

每个奖项的委员会都会在一系列会议上讨论候选人，然后向整个学院提出一个或多个提案进行投票。审议结果，包括获奖者以外的提名者姓名，将保密50年。

巴文迪1961年出生于法国巴黎，父亲是突尼斯人，母亲是法国人。他十岁时随家人移民到美国，尽管他在高中时科学成绩优异，但在哈佛大学的第一门大学化学课上却没及格；但他坚持了下来，获得了本科学位，后来又获得了博士学位。在芝加哥大学。后来，他加入了贝尔实验室，最后加入了麻省理工学院(MIT)，至今仍担任教授。

巴文迪在新闻发布会上说，他“非常惊讶、困倦、震惊、意外，也非常荣幸”。在被问及泄密事件时，他说，直到学院给他打电话，他才知道自己获得了诺贝尔奖。巴文迪说，当他开始研究量子点时，并没有考虑到他的工作可能的应用：“真正的动机是基础科学。对世界如何运转的基本理解和好奇心？——这就是科学家和学术科学家所做工作的动力。”

2023年诺贝尔化学奖得主、麻省理工学院科学家蒙吉·巴文迪(Moungi Bawendi)（上）2023年10月4日星期三在马萨诸塞州剑桥市的家中与妻子瑞秋·齐默尔曼(Rachel Zimmerman)相拥

10月4日星期三，名誉教授路易斯·布鲁斯(Louis Brus)获得诺贝尔化学奖后，在纽约哈德逊河畔黑斯廷斯的家中合影留念

布鲁斯在美国传奇的贝尔实验室（当时是科学发现的温床）工作，进行涉及切碎颗粒以提供更大表面积和更快化学反应的实验；在工作期间，他注意到粒子的光学和其他特性随着粒子变得越小而发生变化——这只能用量子力学来解释。布鲁斯在贝尔实验室一待就是23年，现在，他是哥伦比亚大学的名誉教授。他说当瑞典科学院清晨打来电话通知他时，他并没有拿起电话。

他告诉美联社记者：“电话在夜里响个不停，但我没有接，因为我基本上是在睡觉。早上6点左右起床后，他终于在网上看到了这则消息。”

“我当然没想到会这样。”布鲁斯说，他很高兴看到自己从事的化学领域得到认可。他认为，量子点的实际应用，比如创造平板电视中的色彩，是他几十年前开始这项工作时所希望的。

“基础研究很难准确预测其结果，它更多的是知识基础，而不是实际材料。但在这种情况下，两者兼而有之。”

叶基莫夫于10月4日星期三在佛罗里达州劳德代尔堡接受采访时发表讲话

叶基莫夫是纳米晶体技术公司(Nanocrystals Technology)的前首席科学家，他于1999年开始在这家位于纽约的公司工作。瑞典科学院称赞他在20世纪80年代初证明了氯化铜纳米粒子的大小会影响玻璃的颜色。

叶基莫夫对美联社说：“经过40年的努力，我们终于获得了这一成果，这真是太好了。”叶基莫夫1945年出生于前苏联，毕业于列宁格勒国立大学；1981年，他在苏联科学杂志上发表了自己的发现，并成为第一个有意创造量子点的人。

参考链接：

[1]https://www.theguardian.com/science/2023/oct/04/nobel-prize-in-chemistry-winners-2023

[2]https://phys.org/news/2023-10-scientists-nobel-prize-chemistry-tiny.html

[3]https://www.nature.com/articles/d41586-023-03048-9

[4]https://www.quantamagazine.org/nobel-prize-honors-inventors-of-quantum-dot-nanoparticles-20231004/
[5]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/press-release/

[6]https://phys.org/news/2023-10-giants-chemistry-quantum-realm.html

[7]https://www.science.org/content/article/creators-of-quantum-dots-used-in-tv-displays-and-cell-studies-win-chemistry-nobel

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