作者:许琦敏 来源:文汇报 发布时间:2023/10/5 7:29:45
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三位科学家因量子点的发现与合成分享2023年诺贝尔化学奖
他们为纳米技术的发展应用播下“彩色种子”

 

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昨天,瑞典皇家科学院宣布将2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院教授蒙吉·巴文迪(Moungi Bawendi)、美国哥伦比亚大学教授路易斯·布鲁斯(Louis Brus)和美国纳米晶体科技公司科学家阿列克谢·叶基莫夫(Alexei Ekimov),以表彰他们对量子点的发现与合成所作的贡献。

量子点是一种微小的纳米粒子,颗粒大小决定了它们的性质。在古老的彩色玻璃中,这些纳米粒子就展现出独特魅力。此次获奖的三位科学家,在上世纪80年代初到90年代不懈努力探索,最终掌握了生产完美量子点的方法,为纳米技术的发展应用播下了“彩色的种子”。

如今,量子点正在造福人类——这些纳米颗粒不仅通过电视屏幕和LED灯为人们照亮丰富多彩的世界,还以清晰的光线为外科医生照亮肿瘤组织。科学家相信,未来量子点有望在柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密的量子通信,以及红外探测成像、光催化等领域一显身手。而有一点是肯定的——对于令人惊奇的量子现象,还有很多需要了解。

古老彩色玻璃中蕴藏量子秘密

量子点由几千个原子组成,又称“人造原子”。如果要形象描述它的“小”,可以想象一个量子点与一个足球的对比,正如一个足球与地球的对比。当物质的尺寸达到纳米量级时,就会出现一些奇异的性质,即量子效应。在这个微观世界中,粒子的大小决定了它的颜色。

早在千百年前,当人类生产彩色玻璃时就发现,往玻璃中添加金、银、镉等物质,在不同温度下会显现出不同的色彩。到了近代,物理学家发现,添加一种物质就能产生不同颜色的玻璃,决定颜色的是加热温度和冷却方式。

作为探索纳米世界的先驱,获得今年诺贝尔化学奖的三位科学家为量子点在纳米领域的广泛应用奠定了基础。

上世纪70年代末,叶基莫夫刚刚博士毕业,在瓦维洛夫国家光学研究所工作。在研究彩色玻璃时,他发现玻璃样品中的纳米颗粒从约2纳米到30纳米不等,且尺寸越小,颜色越靠近蓝色,尺寸越大越接近红色。由于熟悉量子力学,他很快意识到这是与尺寸相关的量子效应,并于1981年发表了相关论文。

1983年,正在美国贝尔实验室工作的布鲁斯首次在溶液中发现了自由漂浮的粒子具备尺寸依赖性的量子效应。这相当于发现了元素周期表的第三个维度:决定元素性质的,除了电子层数和外层电子数,在纳米尺度上的尺寸也很重要。

不过,当时合成的量子点存在很多缺陷,无法应用推广,巴文迪的工作则彻底改变了量子点的合成方法。1988年,他在布鲁斯的实验室开始博士后工作,锲而不舍地尝试提升量子点的合成质量。后来,他成为美国麻省理工学院的研究负责人,仍在继续探索。终于,1993年,他用简单的方法合成出了几乎完美的量子点纳米晶体,并显示出了独特的量子效应。此后,纳米技术和量子点性质的研究成为一大热门。

照亮LED,也照亮肿瘤组织

有“理综奖”之称的诺贝尔化学奖,今年成了“化学家对于物理学家发现的完美诠释”。

中国科学院半导体所研究员姬扬表示,量子点的工作在基础研究和产业应用中都非常重要。 比如,在很多LED屏幕中,就利用量子点的发光特性来调节LED所呈现出的颜色,使之更加丰富而柔美。又如,在生物化学和医学领域,量子点与生物分子相连后,其发光特性可帮助科学家绘制出细胞和器官的图像。此外,医生也开始研究用量子点追踪体内肿瘤组织。而化学家则利用其催化特性来驱动化学反应。

据悉,索尼、三星、TCL多年前就相继推出了搭载量子点的背光液晶电视,2022年全球量子点电视机销量超过1200万台。据美国2019年的一项统计,全球已有超过120家公司在从事量子点技术的开发和应用研究。

华东师范大学化学与分子工程学院教授姜雪峰认为,量子点更大的应用潜力可能在于各种微型器件中。“当人们对芯片的算力要求越来越高、信息存储量越来越大,就需要更小的芯片和更高密度的存储设备。”他说,当材料的尺寸小到纳米尺度,就会产生隧穿效应,而对量子点技术的掌握,则使人们可以在一定程度上避开隧穿效应,制造出更为尖端的微电子设备。

虽为色盲患者,却为纳米世界增色

今年的诺贝尔化学奖虽然没有出现女性科学家的身影,却出现了师生同获诺奖的佳话。如前文提到,巴文迪曾是布鲁斯的博士后。

昨天清晨,巴文迪接到了来自斯德哥尔摩的电话,得知与导师布鲁斯一同获奖后非常高兴。在高兴之余,他仍记挂着上午9点要给学生上课。然而,更令人惊讶的是,布鲁斯竟是一位色盲患者。很难想象,研究光的学者竟无法靠自己的眼睛辨别颜色。据布鲁斯的一位博士生透露,布鲁斯曾表示:“虽然我看颜色和别人看得不一样,但波长会告诉我理论上的颜色!”

而本届诺贝尔化学奖的另一个插曲,则是在结果公布前几小时,有瑞典媒体报道称瑞典皇家科学院在一封电子邮件中提前泄露了获奖者名单,而最终公布的结果与名单完全吻合。浙江大学生命科学研究院研究员林世贤认为,虽然这有悖于诺奖委员会一贯严谨的工作作风,但获奖成就的重要性仍毋庸置疑,“早在多年前,这项工作就有很高的获奖呼声,如今可谓实至名归”。

 
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