2023諾貝爾化學(xué)獎提前泄露，三位量子點研究者獲獎

10.4

知識分子

The Intellectual

導(dǎo) 讀

2023年諾貝爾化學(xué)獎授予了美國麻省理工學(xué)院化學(xué)教授蒙奇·巴文迪（Moungi G.Bawendi），哥倫比亞大學(xué)化學(xué)教授路易斯·優(yōu)根·布魯斯（Louis Eugene Brus），俄羅斯物理學(xué)家阿列克謝·埃基莫夫Alexey I. Ekimov，以表彰他們發(fā)現(xiàn)和合成量子點。

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授施郁告訴《知識分子》，物理、化學(xué)、材料科學(xué)都關(guān)注量子點，而化學(xué)提供了一種制備方法。量子點將電子束縛在小范圍，堪稱人工原子。2023年將化學(xué)諾獎頒發(fā)給量子點說明物理、化學(xué)、材料科學(xué)的密切關(guān)系。化學(xué)另一方面也與生命科學(xué)密切相關(guān)，也常發(fā)給生命科學(xué)方面。這些情況都說明化學(xué)獎的豐富多彩。

值得一提的是，今年諾貝爾化學(xué)獎被提前泄露。瑞典公共廣播公司 SVT 表示，瑞典皇家科學(xué)院周三7點31分（北京時間13時31分）發(fā)出了一份包含2023年諾貝爾化學(xué)得主名單的新聞稿，提到“獎勵頒發(fā)給量子點，納米晶體是如此的小，以至于它們的尺寸控制了它們的性質(zhì)”，諾貝爾化學(xué)委員會專家海納·林克(Heiner Linke)告訴瑞典報紙《每日新聞》(Dagens Nyheter)，周三上午尚未做出任何決定，如果發(fā)布新聞稿，那“肯定”是一個錯誤。

撰文｜李璐

審讀｜周惟欣（美國匹茲堡大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)博士）

責(zé)編 | 夏丹

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納米晶體指晶粒為納米尺寸的晶體材料，或具有晶體結(jié)構(gòu)的納米顆粒,一般尺寸小于100納米。直徑小于10納米的半導(dǎo)體納米晶體，則通常被稱為量子點（Quantum Dot）。這個名字，來源于其獨特的量子限域效應(yīng)或者量子尺寸效應(yīng)。2023 年諾貝爾化學(xué)獎獎勵量子點的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，這種納米顆粒非常微小，其尺寸決定了其特性。這些最小的納米技術(shù)組件現(xiàn)在可以傳播電視和 LED 燈發(fā)出的光，還可以指導(dǎo)外科醫(yī)生切除腫瘤組織等。每個研究化學(xué)的人都知道元素的性質(zhì)取決于它擁有的電子數(shù)量。然而，當(dāng)物質(zhì)縮小到納米尺寸時，就會出現(xiàn)量子現(xiàn)象；這些取決于事情的大小。2023 年諾貝爾化學(xué)獎獲得者成功地制造出了如此小的粒子，其特性由量子現(xiàn)象決定。這種被稱為量子點的粒子現(xiàn)在在納米技術(shù)中非常重要。“量子點具有許多令人著迷且不尋常的特性。重要的是，它們根據(jù)大小而具有不同的顏色，”諾貝爾化學(xué)委員會主席 Johan ?qvist 說道。物理學(xué)家早就知道，理論上納米粒子中可能會出現(xiàn)與尺寸相關(guān)的量子效應(yīng)，但當(dāng)時幾乎不可能在納米尺寸上進(jìn)行雕刻。因此，很少有人相信這些知識會被付諸實踐。然而，在 20 世紀(jì) 80 年代初，Alexei Ekimov成功地在有色玻璃中創(chuàng)造了依賴于尺寸的量子效應(yīng)。顏色來自氯化銅納米顆粒，埃基莫夫證明顆粒尺寸通過量子效應(yīng)影響玻璃的顏色。幾年后，路易斯·布魯斯（Louis Brus）成為世界上第一位證明流體中自由漂浮的粒子的尺寸依賴性量子效應(yīng)的科學(xué)家。1993 年，Moungi Bawendi徹底改變了量子點的化學(xué)生產(chǎn)方式，產(chǎn)生了近乎完美的粒子。這種高質(zhì)量對于它們在應(yīng)用中的使用是必要的。現(xiàn)在，量子點照亮了基于 QLED 技術(shù)的計算機顯示器和電視屏幕。它們還為一些 LED 燈的光線增添了細(xì)微差別，生物化學(xué)家和醫(yī)生使用它們來繪制生物組織圖。量子點正在為人類帶來最大的福祉。研究人員相信，未來它們可以為柔性電子產(chǎn)品、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密量子通信做出貢獻(xiàn)——所以我們剛剛開始探索這些微小顆粒的潛力。」

Moungi G.Bawendi 蒙奇·巴文迪

美國麻省理工學(xué)院化學(xué)教授，1993年Moungi G. Bawendi教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組第一次在有機溶液中合成出了大小均一的量子點，從而推動了整個領(lǐng)域的發(fā)展。[6]他們將硫、硒、碲三種氧族元素溶解在三正辛基氧膦中，而后在200到300攝氏度的有機溶液中與二甲基鎘反應(yīng)，生成與此對應(yīng)的材料：硫化鎘、硒化鎘與碲化鎘。此后，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了許多合成膠狀量子點的方法，目前大部分半導(dǎo)體材料都可以用化學(xué)溶液生長的方法合成相應(yīng)的量子點。

Bawendi帶領(lǐng)的團(tuán)隊在高質(zhì)量的膠體半導(dǎo)體納米材料的合成方面有著豐富的經(jīng)驗，并將其引入到光電領(lǐng)域。目前的材料類別包括用于光學(xué)和磁共振成像應(yīng)用的InAs和氧化鐵納米顆粒，用于照明的InP量子點，用于量子光生成的鹵化鉛鈣鈦礦量子點。[7]通過采用前體優(yōu)化和配體工程等策略，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊設(shè)計了各種堅固的、功能性強的納米材料，并組裝成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

Bawendi的團(tuán)隊也致力于生物領(lǐng)域的實踐研究，他帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)了新的光學(xué)成像探針，例如利用SWIR發(fā)射InAs量子點和染料，以及通過組織傳輸?shù)莫毺爻上窦夹g(shù)。[8]

目前，該團(tuán)隊的研究重點是跟蹤細(xì)胞遷移和血管生成以及光學(xué)腦成像技術(shù)的發(fā)展。這些技術(shù)與SWIR光的特性及有關(guān)研究相輔相成，共同為光電子學(xué)和光學(xué)造影應(yīng)用于生物成像提供了信息。[9]

Louis Eugene Brus 路易斯·優(yōu)根·布魯斯

哥倫比亞大學(xué)化學(xué)教授，鮑爾科學(xué)成就獎獲得者。2004年，其當(dāng)選為美國國家科學(xué)院院士，他的研究表明，當(dāng)可見光譜的波長照射時，貴金屬粒子之間會產(chǎn)生強烈的吸引力[12]。他討論了這背后的基礎(chǔ)科學(xué)，以及如何利用這種光學(xué)特性來滿足對納米級研究工具日益增長的需求[13]。

作為一名物理化學(xué)家，Brus在原子水平上進(jìn)行了20多年的研究，他最著名的是對半導(dǎo)體納米晶體的研究。1983年，他在貝爾實驗室證明硫化鎘膠體的大小被改變的同時，其激子能量也隨之變化。他將這種膠體與量子點的概念聯(lián)系起來，首次提出膠狀量子點（colloidal quantum dot），實現(xiàn)了膠體半導(dǎo)體量子點的控制合成，因此其被稱為量子點的膠體半導(dǎo)體納米晶體的發(fā)現(xiàn)者。[14]

Brus注重團(tuán)結(jié)協(xié)作，他曾與弗里斯納(R. Friesner)密切合作，對二氧化鈦納米顆粒表面附近的光激發(fā)電子進(jìn)行理論研究，目的是了解可見光如何與物質(zhì)相互作用，以及如何在光伏電池尤其是在納米顆粒和納米線中，使電激發(fā)演變成分離的電子和空穴。[15]為了制作越來越小的顆粒進(jìn)行研究，他與博士后Paul Alivisatos 和Moungi Bawendi和有機金屬合成化學(xué)家Michael Steigerwald 合作，Brus說:“這種合作是絕對必要的，而且非常有成效。”他們一起了解從摩爾計算到大塊半導(dǎo)體的演變,這些納米晶體對微電子學(xué)非常重要,該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，計算的未來取決于越來越小的半導(dǎo)體[1617]。

Alexey I. Ekimov

Alexey I. Ekimov，俄羅斯固體物理學(xué)家，在瓦維洛夫國立光學(xué)研究所工作期間發(fā)現(xiàn)了被稱為量子點的半導(dǎo)體納米晶體。1975年，他因在半導(dǎo)體電子自旋取向方面的工作而榮獲蘇聯(lián)國家科學(xué)與工程獎。他因“納米晶體量子點的發(fā)現(xiàn)及其電子和光學(xué)特性的開創(chuàng)性研究”而成為美國光學(xué)學(xué)會2006年R. W. Wood 獎的共同獲得者。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mitch J. Paul Alivisatos named 2021 Priestley Medalist[J]. CHEMICAL & ENGINEERING NEWS,2020,98(25).

[2] Welch Award in Chemistry:A. P. Alivisatos and C. M. Lieber / Wilhelm Exner Medal:J. M. DeSimone / Ernst Schering Prize:P. Cramer.[J]. Angewandte Chemie (International ed. in English),2019,58(50).

[3]Nano Solar Cells.[J].Technology Review,2003,106(1).

[4]Wang L. Welch Award to Paul Alivisatos and Charles Lieber[J]. Chemical & Engineering News,2019,97(45).

[5]PAUL ALIVISATOS LBNL’s NEW DIRECTOR focuses on renewable energy, climate.Chemical & Engineering News,2010,88(6).

[6]www.wikipedia.org

[7]Scalable Synthesis of InAs Quantum Dots Mediated through Indium Redox Chemistry.Matthias Ginterseder et al. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (9), 40884092.

[8]Noninvasive monitoring of chronic liver disease via nearinfrared and shortwaveinfrared imaging of endogenous lipofuscin. Mari Saif et al. Nat. Biomed. Eng. 2020, 113.

[9]https://nanocluster.mit.edu

[10]Engineering the composition of bimetallic nanocrystals to improve hydrodeoxygenation selectivity for 2acetylfuran.[J] Applied Catalysis A: General,2020,606(000).

[11]Effect of Ni particle size on the production of renewable methane from CO2 over Ni/CeO2 catalyst.[J] Journal of Energy Chemistry,2021,61(000).

[12]Biography of Louis E. Brus.

[13] Hallock, A. J., Redmond, P. L. & Brus, L. E.(2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 1280–1284.

[14]Jiang, J., Bosnick, K., Maillard, M. & Brus, L.(2003) J. Phys. Chem. B 107, 9964–9972

[15]Metallic Carbon Nanotubes and Ag Nanocrystals.

[16]Steigerwald, M. L., Alivisatos, A. P., Gibson, J. M.,Harris, T. D., Kortan, R., Muller, A. J., Thayer,A. M., Duncan, T. M., Douglass, D. C. & Brus,L. E. (1988) J. Am. Chem. Soc. 110, 3046–3050.

[17]Steigerwald, M. L. & Brus, L. E. (1989) Ann. Rev.Mater. Sci. 19, 471–495.

[18]In situ with Taeghwan Hyeon The nanoparticle pioneer on the importance of reading,exercise and nurturing excellent young scientists.

[19] Metal Oxide Nanoparticles: Large‐Scale Synthesis and Medical Applications of Uniform‐Sized Metal Oxide Nanoparticles (Adv. Mater. 42/2018)

[20] Flexible Displays: Ultrathin Quantum Dot Display Integrated with Wearable Electronics (Adv. Mater. 38/2017)