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2023年化學諾獎解讀｜量子點：電子“蝸居”，納米嶄露頭角
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澎湃新聞記者 吳躍偉 實習生 龐茜元 喬小芮 楊慧敏 2023-10-05 18:54 來源：澎湃新聞 ∙ 科學湃 > 字號 2023年諾貝爾化學獎獲得者：美國麻省理工學院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美國哥倫比亞大學教授路易斯·E·布魯斯(Louis E. Brus)和美國納米晶體技術公司前首席科學家阿列克謝·伊基莫夫(Alexei I. Ekimov)。 量子點像是電子“蝸居”的監(jiān)獄——納米監(jiān)獄。 一根頭發(fā)絲直徑的5萬分之一約是1納米，大約是氫原子的直徑的10倍。 目前已經被應用到高清顯示器和電腦屏幕上提供絢麗色彩的量子點，是一種納米尺度的材料、微晶體和“人造原子”。 因其獨特的光學和理化特性，量子點還有望廣泛應用于醫(yī)學診斷、柔性電子器件、太陽能電池、加密量子通信等領域。 中國科學院物理研究所研究員梁文杰現(xiàn)任該所納米物理與器件實驗室N05單分子和納米結構電子輸運研究組組長。10月4日晚，他向澎湃科技表示，迄今，人們還沒有發(fā)現(xiàn)天然的量子點。 在微信朋友圈里，梁文杰寫道，“如果自然沒有展現(xiàn)某種性質的材料，人類也可以遵循自然法則自己創(chuàng)造出來，此思想之重要不亞于發(fā)明輪子。”“從超晶格到量子點到轉角材料，基于人工能帶和電子關聯(lián)調控指導思想下的人造材料大放異彩�！� 袁嵐峰是中國科學院科學傳播研究中心副主任，中國科學技術大學科技傳播系副主任，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰(zhàn)略風云學會會長。 4日晚，袁嵐峰向澎湃科技表示，除了現(xiàn)實生活中的應用潛力，量子點在理論認知層面還極具價值，它帶來的最大啟示是揭示了元素周期表的“第三維”。而它帶來的創(chuàng)新是，發(fā)現(xiàn)了調控材料特性的新方法。 北京時間10月4日17時45分許，瑞典皇家科學院宣布，將2023年諾貝爾化學獎授予美國麻省理工學院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美國哥倫比亞大學教授路易斯·E·布魯斯(Louis E. Brus）和美國納米晶體技術公司前首席科學家阿列克謝·伊基莫夫(Alexei Ekimov)，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)和合成量子點（quantum dots）方面作出的貢獻。 “量子點可以被看作是整個納米技術領域的一個里程碑�！奔{米物理學教授、諾貝爾化學獎委員會成員、瑞典皇家科學院院士海納·林克（Heiner Linke）說。 不那么“化學”的化學獎？ 對于2023年諾貝爾化學獎，有人認為，量子點研究不是那么“純粹”的化學研究，而更近于物理學范疇。 對此，梁文杰表示，這個獎項是納米科學領域久久期待的一個諾貝爾獎�！皩嶋H上，如果頒在諾貝爾物理獎里面，一點兒問題都沒有。因為這是人類調控材料性能的一個巨大突破，是人工材料領域的一個重要里程碑。但是，發(fā)在化學獎里也沒問題，因為它提供了一個實現(xiàn)大規(guī)模合成量子點的化學技術。它的確不是對化學反應或化學動力學更深地理解，而是通過化學的方式，為納米技術的發(fā)展奠定基礎，并取得了巨大的突破。” 梁文杰向澎湃科技表示，理論上有突破，發(fā)現(xiàn)了一種量子限域效應，并給予解釋；以及大規(guī)模制備技術，使得這種量子限域效應能為人所用，他認為這是量子點成就的兩個亮點。而更大意義是激發(fā)了人們的想象力，并帶來了材料性能設計的新維度。 量子點（示意圖，左）是納米尺度的微晶體，通常由數(shù)千個原子組成。 納米尺度的“雕刻” 和“蝸居”的電子 量子點通常是由數(shù)千個原子組成納米微晶體。 梁文杰解釋說，“ ‘量子點’中的‘量子’是指量子效應。‘點’是指物質、電子或原子被限制在一個非常小的空間里，尺寸小到幾乎可以忽略不計。隨著量子點尺寸或形狀的變化，它的物理化學性質能發(fā)生明顯的改變�！� “這就好比我們一群人舉行宴會，原本在一個比較空曠的大的屋子里，大家都很自由，也很平和。但后來空間變得越來越小，漸漸人擠人，互相影響，大家的臉色會發(fā)生變化，情緒也會變得暴躁起來。尺寸決定量子點的性質。因為電子就像宴會中的我們一樣�！� 量子點能吸收光，然后輻射出另一波長的光。即使是同一種成分，但不同尺寸的量子點還是會呈現(xiàn)出不同的顏色。雖然其化學成分、元素組成沒有改變，但納米尺度的尺寸變化，已經改變了它們的電子排布。 理論計算作出的預測，比真正實驗發(fā)現(xiàn)并成功合成量子點早了大約40年。 1937年，物理學家赫伯特·弗洛里希（Herbert Fröhlich）經過計算后預言，當材料顆粒的尺寸變得極小時，既是波又是粒子的電子會被擠壓在一起，這將導致材料的特性發(fā)生巨大變化。 其他研究人員被他的洞察力深深吸引，利用數(shù)學工具預測了許多與尺寸有關的量子效應，并努力嘗試在實驗中證明這些效應。但1納米等于百萬分之一毫米，等于十億分之一米。他們需要雕刻一個比針尖小一百萬倍的微小結構來進行實驗。這在當時是一個巨大的技術難題。 直到20世紀80年代初，俄羅斯和美國科學家分別獨立地創(chuàng)造出第一個量子點。剛剛博士畢業(yè)、在蘇聯(lián)瓦維洛夫國立光學研究所工作的阿列克謝·伊基莫夫觀察到，不同的燒制工藝制備的玻璃樣品中氯化銅微晶體的尺寸差異巨大。有的只有2納米左右，有的高達30納米。 他發(fā)現(xiàn)，微晶顆粒越小，吸收的光線就越偏藍。 量子點能吸收光，然后輻射出另一波長的光。粒子尺寸越大，留給電子波的空間越大。圖：Johan Jarnestad 1981年，伊基莫夫在蘇聯(lián)的一份科學雜志上發(fā)表了上述發(fā)現(xiàn)，并將之解釋為與納米材料尺寸有關的量子效應——量子尺寸效應。 2年后，1983年，路易斯·E·布魯斯發(fā)表了類似的量子效應實驗結果。他對比的是4.5納米和12.5納米硫化鎘顆粒，首次證明了液體中自由漂浮的膠體粒子的量子尺寸效應。 為什么材料顆粒的吸光度稍微偏向藍色如此重要，并受到人們關注？ 因為電子支配著物質的光學特性，也支配著物質的催化反應或導電等能力。當研究人員檢測到物質的吸光度變化時，他們明白，原則上，他們看到的是一種全新的材料。 最大貢獻：元素周期表的“第三維” 除了五顏六色的光學特性和應用，袁嵐峰認為，量子點最大的貢獻是，“相當于‘給元素周期表增加了一個維度’，我覺得這是最好的表達了”。這是它帶來的理論認知層面的啟示。 一種化學元素的特性主要受其電子層數(shù)和外殼電子數(shù)的影響。這被認為是元素周期表的兩個維度。此前人們對元素周期表的擴展局限在二維層面，不斷尋找或創(chuàng)造新的元素。 但量子點材料表明，在納米層面上，尺寸的變化對材料的性質影響很大，意味著想要開發(fā)新材料的科學家們又多了一個可以利用的因素。 袁嵐峰表示，“大家就把材料（設計）比喻成‘炒菜’。以前是換很多元素的組合來‘炒菜’，現(xiàn)在，又增加了一個維度——可以調整納米粒子的尺寸。那么可以炒的菜豈不是更多？” 梁文杰則表示，量子點的尺寸改變一點點，電子的“脾氣”就可能變化很多�！拔覀冊趺锤_地控制它，使它的性能越來越卓越，然后產生顛覆性技術，是需要進一步探究的問題�！� 袁嵐峰告訴澎湃科技，“我印象很深的一件事是2020年時對話諾貝爾物理學獎獲得者安德烈·蓋姆。一開始，我準備了一個問題，想問他關于石墨烯產業(yè)化的問題，或者石墨烯的技術應用做到什么程度了？因為有很多人說石墨烯材料缺少一個殺手級的應用。沒想到，他對這種問題完全不感興趣。他說，‘我獲得諾貝爾獎不是因為技術應用，而是我揭示了一個可能性。此前人們覺得材料都是三維的，但我告訴大家，有新的領域，有二維材料存在。你就會發(fā)現(xiàn)，二維材料遠遠不止石墨烯。你完全不用局限于石墨烯，你可以尋找更多二維材料，找到其他更多有用的東西�！� 所以安德烈·蓋姆的最大貢獻是告訴大家二維材料的存在。同樣，量子點最大貢獻是告訴大家元素周期表有第三個維度。” 因為對二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗，英國曼徹斯特大學教授安德烈·蓋姆與其學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫被授予2010年諾貝爾物理學獎。 此外，袁嵐峰還提到另一個由量子尺寸效應導致的新概念：納米限域催化。在2020年度國家科學技術獎勵大會上，中國科學技術大學校長包信和院士帶領的中國科學院大連化學物理研究所相關項目團隊獲得自然科學獎一等獎。據(jù)央視新聞報道，納米限域催化實際上是在納米尺度給催化反應體系提供一個有約束的環(huán)境，比如空間和界面的作用等，對催化劑體系的電子能態(tài)進行調變，改變催化劑的活性和選擇性，從而實現(xiàn)催化性能的精準調控。 合成方法重要嗎？ 什么是工程？梁文杰表示，首先需要大批量制備，并且實現(xiàn)一致性。 袁嵐峰解釋說，現(xiàn)在做芯片有個非常重要的指標——芯片良率。如果一個方法只是理論上可行，但是產率特別低，那么可能成本極高，要么完全沒法用，要么成為少數(shù)人的游戲。就像在發(fā)明大規(guī)模電解鋁的方法之前，只有貴族、王室才能用得起鋁制品。量子點要“飛入尋常百姓家”，必須提高良率。 如何合成大批特定尺寸的納米晶體？ 在20世紀80年代，納米雕刻的“刀工”還不行，因此阻礙了量子點相關研發(fā)工作。 突破直到十年后才到來。 從1983年布魯斯發(fā)表量子尺寸效應的研究論文，5年后，1988年，蒙吉·G·巴文迪到布魯斯的實驗室開始博士后研究。他們制備的納米晶體的質量越來越好，但仍然不夠理想。 又過了5年，1993年，巴文迪帶領的研究小組終于取得了重大突破。他們利用熱注入合成法，成功合成了單分散納米粒子，為量子點的大規(guī)模應用開發(fā)打開了大門。 梁文杰介紹，熱注入合成法是把特定溶劑加熱到300攝氏度以上，然后把含有量子點材料的溶液注入到前述沸騰的溶劑中。由于過飽和，量子點材料會迅速形成晶核，就像雨云里的凝結核。 熱注入合成法合成量子點。圖：Johan Jarnestad “但我們也不希望晶體一直長大，否則就不是納米顆粒了。因此研究人員在溶液中又加了一些‘阻撓劑’。晶體越生長，阻撓效應越強，最后穩(wěn)定在一個化學平衡狀態(tài)，在溶液中產生一致性較好的納米顆粒。通過調節(jié)反應條件，無論是加表面活性劑，還是控制溫度，可以調節(jié)納米顆粒的尺寸，比如3納米、5納米、10納米�！� 梁文杰說。 海納·林克在諾貝爾獎官網發(fā)布的文章中寫道，現(xiàn)代納米科學領域要求對納米結構的合成進行精確和理想的原子級調制。量子點的發(fā)現(xiàn)，以及用高精度但相對簡單的化學方法合成這種材料的能力，是納米科學和納米技術發(fā)展的重要一步。2023年諾貝爾化學獎的獲獎者在建立這些能力方面發(fā)揮了核心作用，并以這種方式為納米科學領域的成長提供了種子。 責任編輯：沈關哲 校對：徐亦嘉 |
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