2023化学诺奖量子点：元素周期表从此拥有第三个维度

2023年诺贝尔化学奖授予“量子点的发现与合成”，这项成就是纳米技术与量子力学结合的典范，其应用更是与生产生活密切相关。本文系诺贝尔奖官方发布的获奖内容科普介绍，用通俗易懂的方式了解量子点的尺度依赖性和制造方法。

翻译 | 董唯元

校对 | 李肚肚

他们为纳米技术增添了色彩

Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus和Alexei I. Ekimov因发现和发展量子点（quantum dots）而荣获2023年诺贝尔化学奖。这些微小的颗粒具有独特的性质，现在正在电视屏幕和LED灯中散发光芒。它们可以催化化学反应，其明亮的光也可以为外科医生照亮肿瘤组织。

“Toto，我有一种感觉我们不再在堪萨斯了”，这是电影《绿野仙踪》中的经典台词。一场强力龙卷风席卷飞了多萝西的房子，十二岁的她晕倒在床上，而当房子再次着陆，多萝西带着她的狗Toto走出门口时，一切都变了。突然之间，她置身于一个神奇而色彩丰富的世界。

如果一场被施了魔法的龙卷风席卷我们的生活，将一切缩小到纳米尺寸，我们肯定会像堪萨斯州的多萝西一样震惊。我们周围将变得五彩斑斓，一切都会改变。我们的金色耳环突然会闪烁着蓝色，而我们手指上的金戒指则会闪耀着宝石红。如果我们试图在煤气灶上炸东西，煎锅可能会融化。而我们的白色墙壁（油漆中含有二氧化钛）将开始产生大量的活性氧物质。

图1 量子点给了我们创造彩色光的新机遇。图源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

尺寸在纳米尺度上很重要

在纳米世界中，事物确实表现得与众不同。一旦物质的尺寸开始以百万分之一毫米来衡量，奇特的现象就会发生——即量子效应，这挑战了我们的直觉。2023年诺贝尔化学奖得主都是在纳米世界探索的先驱者。20世纪80年代初，Louis Brus和Alexei Ekimov各自独立地成功创造了量子点，这些微小的纳米颗粒的特性取决于量子效应。1993年，Moungi Bawendi革新了制造量子点的方法，使其质量极高，这是它们在当今纳米技术中得以使用的重要前提条件。

由于这些奖得主的工作，人类现在能够利用纳米世界的一些奇特性质。量子点现在已出现在商业产品中，并应用于许多科学领域，从物理学到化学，再到医学——不过，我们现在讨论这些还为时过早，先让我们揭开2023年诺贝尔化学奖的背后故事。

图2 量子点往往仅由数千个原子组成。尺寸上而言，量子点相较于足球，大约就相当于足球之于地球。图源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

几十年来，纳米世界中的量子现象仅仅是一种预测

当Alexei Ekimov和Louis Brus制造出第一个量子点时，科学家就已经知道它们在理论上可能具有不寻常的特性。在1937年，物理学家Herbert Fröhlich已经预测到纳米颗粒的行为不会与普通粒子一样。他从著名的薛定谔方程推导出理论结果，该方程表明当粒子变得非常小时，材料中的电子的空间变得更小。或者可以说，既是波又是粒子的电子被挤在一起。Fröhlich意识到这将导致材料性质的巨大变化。

研究人员对这一洞见感到着迷，并利用数学工具成功预测了许多与尺寸相关的量子效应。他们还努力尝试在现实中证明这些效应，但这说起来容易做起来难，因为他们需要雕刻出比针头还要小一百万倍的纳米结构。

很少有人认为量子效应可以被利用

尽管如此，在20世纪70年代，研究人员成功制造出这种纳米结构。他们使用一种分子束技术，在大块材料的顶部制成了一层纳米厚的涂层材料。一旦组装完成，他们就能够展示涂层的光学性质如何随其厚度变化，这一观察结果与量子力学的预测相符。

这是一个重大突破，但这个实验需要非常先进的技术。研究人员需要超高真空度和接近绝对零度的温度，所以很少有人预料到量子力学现象会被应用到实际中去。然而，科学有时会带来意想不到的东西，这一次，转折点是由对一项古老的发明——彩色玻璃的研究带来的。

单一物质可以赋予玻璃多种颜色

最古老的彩色玻璃的考古发现可以追溯到几千年前。玻璃工匠通过试验逐渐理解了如何制作出七彩缤纷的玻璃。他们添加了银、金和镉等物质，并尝试用不同的温度来制造出色度不同的美丽玻璃。

在19世纪和20世纪，当物理学家开始研究光的光学特性时，玻璃匠人的知识被利用起来。物理学家使用彩色玻璃来过滤特定波长的光。为了优化他们的实验，他们开始自己制造玻璃，这带来了重要的理解。其中一个发现是，单一物质可以产生完全不同颜色的玻璃。例如，硒化镉和硫化镉的混合物可以使玻璃变成黄色或红色，具体取决于玻璃的熔化温度和冷却方式。最终，他们能够证明颜色来自玻璃内部形成的颗粒，而颜色取决于颗粒的大小。

这基本上是1970年代末的知识水平，今年的诺贝尔奖得主之一，Alexei Ekimov那时还刚获得博士学位，开始在苏联国立光学研究所（S.I. Vavilov State Optical Institute）工作。

Alexei Ekimov揭示了各色玻璃的奥秘

单一物质能产生不同颜色的玻璃，这个事实引起了Alexei Ekimov的兴趣，因为这实际上是不合逻辑的。如果你用镉红色画一幅画，它应该始终是镉红色，除非你混入其他颜料。那么，为什么一种单一物质会产生不同颜色的玻璃呢？

在攻读博士学位期间，Ekimo研究了半导体——这是微电子学的重要组成部分。在这个领域，光学方法被用作评估半导体材料质量的诊断工具。研究人员用光照射材料并测量吸光度。这可以揭示材料由何种物质组成以及晶体结构的有序程度。

Ekimov熟悉这些方法，因此他开始用这种方法检查有色玻璃。经过一些初步实验后，他决定系统地制造添加了氯化铜的玻璃。他将熔融的玻璃加热到500℃到700℃的温度范围内，加热时间从1小时到96小时不等。一旦玻璃冷却并变硬，他对其进行X射线检查。散射的射线显示在玻璃内形成了微小的氯化铜晶体，而制造过程影响着这些颗粒的大小。在某些玻璃样本中，它们只有约2纳米大小，在其他样本中可达30纳米。

有趣的是，事实证明玻璃的光吸收会受颗粒大小的影响。最大的颗粒与氯化铜通常吸收光的方式相同，而颗粒越小，它们吸收的光越蓝。作为一名物理学家，Ekimov对量子力学定律非常熟悉，