认证了，他们都是“涂色”大师！2023年诺贝尔化学奖解读

2023-10-04 11:10

科技日报记者张梦然

什么是量子点？量子点是非常微小的纳米粒子，它们的大小决定了其性质。对于这些微小组成部分，我们其实并不陌生——从电视和LED灯发出的光线，到指导外科医生切除肿瘤组织，以及许许多多其他事情。

量子点是⼀种通常仅由几千个原子组成的晶体。就大小而言，它与足球的关系就像足球与地球大小的关系⼀样。图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

每个研究化学的人都知道，元素的性质取决于它拥有的电子数量。然而，当物质缩小到纳米尺寸时，就会出现量子现象。2023年诺贝尔化学奖的获得者们成功地制造出了这些超级小的粒子，其特性由量子现象决定。这种被称为量子点的粒子，现在在纳米技术中非常重要。

你可能不知道，微观世界有多“彩色”

电影《绿野仙踪》中，一场强大的龙卷风席卷了多萝西的房子，她晕倒在床上，但当房子再次着陆、她抱着狗狗托托走出门外时，一切都改变了——她进入了一个神奇的彩色世界。

如果和电影中一样，一场魔法龙卷风也能席卷我们的生活并将一切缩小到纳米尺寸，那我们必然也会像奥兹国的多萝西一样万分惊讶。因为仅仅一眼望去，我们的周围就会和以往完全不同，一切都会变得五光十色：一个小小的金耳环可能会突然发出蓝色的光芒；同样材料的金戒指则会发出红宝石样的光芒；如果我们尝试使用燃气灶煎东西，煎锅可能会融化；家里的白色墙壁（其油漆中含有二氧化钛）则会不停产生大量活性氧。

量子点为我们创造彩色光提供了新的机会。图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

几十年来，纳米世界的量子现象只有预测

上面的异想场景告诉我们，在纳米世界中，事物的行为确实有所不同。一旦物质的大小开始以百万分之一毫米为单位来测量，奇怪的现象——量子效应，就会开始出现，挑战我们的直觉。

2023年诺贝尔化学奖得主们，正是探索纳米世界的先驱。

科学家其实很早就知道，理论上纳米粒子中可能会出现与尺寸相关的量子效应。早在1937 年，物理学家就已预测纳米粒子的行为不会像其他粒子一样。无数科学家为此着迷，并利用数学工具成功地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展示它们，但这说起来容易做起来难，因为他们需要“雕刻”一个比针头小一百万倍的结构。

在当时，几乎不可能在纳米尺寸上完成这一“雕刻”。因此也很少有人相信这些知识会被付诸实践。

然而，在20世纪80年代初，阿列克谢·埃基莫夫成功地在有色玻璃中创造出依赖于尺寸的量子效应，其颜色来自氯化铜纳米颗粒，他的研究证明：颗粒尺寸会通过量子效应影响玻璃的颜色。

几年后，路易斯·布鲁斯成为世界上第一位证明流体中自由漂浮粒子的尺寸也依赖量子效应的科学家。

到了1993年，蒙吉·巴文迪彻底改变了量子点的化学生产方式，产生了近乎完美的粒子，而这种高质量密切关系到其实际应用。

在未来，纳米技术将更重要

“量子点具有许多迷人且不寻常的特性。重要的是，它们根据尺寸的不同而具有不同的颜色。”诺贝尔化学委员会主席约翰·克维斯特说。