什么是量子點？為什么說諾獎頒了個“理綜獎”？

10月4日，美籍法國-突尼斯裔化學(xué)家蒙吉·巴文迪，美國化學(xué)家路易斯·布魯斯和俄羅斯物理學(xué)家阿列克謝·葉基莫夫因“發(fā)現(xiàn)和合成量子點”獲得2023年諾貝爾化學(xué)獎。

這是10月4日在瑞典斯德哥爾摩拍攝的2023年諾貝爾化學(xué)獎公布現(xiàn)場。 新華社發(fā)

結(jié)果一經(jīng)公布，有網(wǎng)友笑稱這是頒了個諾貝爾“理綜獎”。為什么這么說？量子點到底是什么，與我們的生活有什么關(guān)聯(lián)？

量子點是什么？

量子點是一種非常小的半導(dǎo)體，又稱半導(dǎo)體納米晶。

有多小？其一般為球形或類球形，直徑常在2-20 納米之間，而人的頭發(fā)的直徑約是10萬納米。5000個量子點排成一列，還不如一根頭發(fā)粗。

當(dāng)物質(zhì)縮小到納米尺度時，很多時候就不再遵循經(jīng)典物理的定律，而開始出現(xiàn)量子效應(yīng)。牛頓和愛因斯坦在這個尺度上都“說了不算”，目前只有量子理論能解釋原子和分子現(xiàn)象中的細(xì)節(jié)。

換句話說，物體縮小到一定的尺度，其性質(zhì)就會由量子現(xiàn)象決定。量子點就是如此微小的結(jié)構(gòu)，它們具有獨特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

廣納珈源（廣州）科技有限公司（下稱“廣納珈源”）總經(jīng)理、博士劉文勇介紹，以目前研究最廣泛的硒化鎘(cdse)量子點為例，其本體硒化鎘為黑色粉末，通常并沒有熒光效應(yīng)；而溶液合成的硒化鎘量子點，可以通過改變尺寸，實現(xiàn)由藍(lán)光到紅光的多種顏色發(fā)光。

今年的諾貝爾化學(xué)獎得主們，作為先驅(qū)者成功地發(fā)現(xiàn)并制造出了量子點——

在20世紀(jì)80年代早期，阿列克謝·葉基莫夫成功地在有色玻璃中發(fā)現(xiàn)了納米尺寸的量子效應(yīng)，證明了可以通過粒子大小影響玻璃的顏色。

幾年后，路易斯·布魯斯成為世界上第一位證明在流體中自由漂浮的納米粒子存在大小依賴的這一量子效應(yīng)的科學(xué)家。

1993年，蒙吉·巴文迪徹底改變了量子點的化學(xué)合成方式，產(chǎn)生了幾乎完美的粒子。

量子點有什么用？

聽起來難懂的量子點，實際上早已出現(xiàn)在我們身邊。在電視行業(yè)，量子點顯示（qled）已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

量子點具有窄縫寬、高熒光效率、峰位可調(diào)、穩(wěn)定性好、便于溶液法加工等優(yōu)勢，是目前最優(yōu)的光學(xué)熒光材料之一。

劉文勇介紹，量子點通過水氧保護(hù)技術(shù)，以擴(kuò)散板或薄膜的形式附著在led背板上，在吸收led發(fā)出的藍(lán)光后，轉(zhuǎn)換成紅光和綠光，組合成標(biāo)準(zhǔn)的rgb三基色。

這樣的轉(zhuǎn)換過程，與以往的led白光轉(zhuǎn)換相比，效率更高，且轉(zhuǎn)化的紅、綠光也比以往led轉(zhuǎn)化的純度要高，表現(xiàn)出來就是色彩更豐富艷麗。

除此之外，在能源領(lǐng)域，量子點被應(yīng)用于太陽能電池，能帶來更高的能量轉(zhuǎn)換效率；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于量子點具有可調(diào)控的發(fā)光性能和較長的壽命，它們成為了高分辨率生物成像的理想工具，科學(xué)家們可以利用量子點的特性標(biāo)記和追蹤細(xì)胞、分子和組織，從而深入研究生物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能。

今年8月3日，工業(yè)和信息化部、國務(wù)院國資委發(fā)布《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點發(fā)展指導(dǎo)目錄（第一批）》，列明“量子點材料”是國家15項產(chǎn)業(yè)化重點發(fā)展前沿材料之一。

中國科學(xué)院院士、國家納米科學(xué)中心主任、廣東粵港澳大灣區(qū)國家納米科技創(chuàng)新研究院（下稱“廣納院”）創(chuàng)始院長趙宇亮認(rèn)為，量子點技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有50年的歷史，但在發(fā)展過程中，目前最需要解決的是產(chǎn)業(yè)化問題。

近日，廣納珈源增資簽約儀式在廣納院本部園區(qū)舉行。廣納珈源董事長朱小波介紹，廣納珈源是廣納院孵化的量子點材料創(chuàng)新企業(yè)。2021年廣納院引進(jìn)“新型顯示用半導(dǎo)體熒光量子點的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項目，經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出全球首款兼具創(chuàng)新性和實用性達(dá)到商業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的量子點光學(xué)擴(kuò)散板。

目前，廣納院已完成對量子點項目團(tuán)隊科技成果的賦權(quán)，以知識產(chǎn)權(quán)出資的方式支持廣納珈源公司利用創(chuàng)新科技成果實施產(chǎn)業(yè)化，公司在廣州開發(fā)區(qū)建有4000平方米的研發(fā)和生產(chǎn)基地。

10月4日，在瑞典斯德哥爾摩的2023年諾貝爾化學(xué)獎公布現(xiàn)場，評委會專家解讀今年諾貝爾化學(xué)獎得主的研究成果。新華社發(fā)

為什么說這是“理綜獎”？

今年的諾貝爾化學(xué)獎，讓一些化學(xué)愛好者和化學(xué)領(lǐng)域科研工作者大呼“看不懂”，有人更笑稱這是頒了個“理綜獎”。

為什么這么說？實際上，與量子點相關(guān)或相近的領(lǐng)域，近年來也曾獲得過諾貝爾獎，但都是物理學(xué)獎。

就在去年，諾貝爾物理學(xué)獎被授予阿斯派科特、克勞瑟和蔡林格，以表彰他們對于量子光學(xué)和原子物理方面的實驗研究工作，尤其是在驗證貝爾不等式方面先驅(qū)性的工作。這是量子理論的研究。

2014年，諾貝爾物理學(xué)獎被授予赤崎勇、天野浩以及中村修二，以表彰他們發(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管（led）?led發(fā)光層與量子點顯示技術(shù)的核心原理，實際上都是量子局限效應(yīng)。

不過，諾貝爾化學(xué)獎似乎一直有“理綜”傳統(tǒng)。

近十余年間，該獎項多次被頒發(fā)給生命科學(xué)研究，還曾發(fā)給超分辨率熒光顯微鏡（2014年）和冷凍電鏡（2017年）這兩項主要用于生物學(xué)研究的技術(shù)設(shè)備。

在學(xué)科交叉相融愈發(fā)普遍的今天，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎、物理學(xué)獎、化學(xué)獎之間的差異似乎在縮小——就在前天，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒給了3位mrna研究者，而他們也是去年諾貝爾化學(xué)獎的熱門人選之一。