化学只考20分，照样拿诺奖

今年的诺贝尔化学奖闹出了一个“大乌龙”。

正式颁奖前4小时许，不少瑞典媒体意外收到了一封标题为“他们为纳米技术播下了重要种子”的邮件。

瑞典公共广播公司SVT表示，这份包含2023年诺贝尔化学奖得主名单的新闻稿里，提到“奖励颁发给量子点，纳米粒子是如此微小，以至于它们的尺寸决定了它们的性质”。

北京时间10月4日下午5点45分，一切尘埃落定。

瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔化学奖授予麻省理工学院的蒙吉·G·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、哥伦比亚大学的路易斯·E·布鲁斯（Louis E. Brus）和美国纳米晶体科技公司（Nanocrystals Technology Inc.）的阿列克谢·伊基莫夫（Alexei I. Ekimov），以表彰其在量子点的发现与合成方面的贡献。

接到来自诺奖委员会通知获奖的电话时，伊基莫夫博士分外淡定：“我醒过来了，不然我还能干啥？当时我这里才凌晨五点。”作为苏联时代的科学家，他已淡出主流学术界多年，于1999年移居至美国，在一家私人公司做研究至今，尽管40年前对量子点的发现跨越美俄产生回响，他依然“人狠话不多”。

在电话采访中，麻省理工的巴文迪教授和诺奖委员会说，自己和妻子确认了好几遍，才知道自己真的得了诺奖。自己在30年前只是一名初出茅庐的助理教授，首次合成量子点时完全无法预想今日的成就。

这次一起获奖的路易斯·布鲁斯曾是巴文迪的“老板”，后者在布鲁斯的手下当过博士后，盛赞布鲁斯是“我们这个研究领域的巨人”，如今师生二人共享诺奖。

在被问到成为一名诺奖得主的感受时，巴文迪表示，可以预想到自己一天的日程都会很混乱，当天早上9点，他本来还要去上课，现在完全不知道自己该做些什么。代表诺奖委员会打去电话的Adam Smith开玩笑说，估计这次早上9点来上课的学生会很开心。

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这通捎来喜悦的电话，意味着三位先驱多年来的原创性研究得到了世界级的认可，他们让纳米技术有了颜色，元素周期表从此有了第三个维度。

新闻发布会上，诺贝尔化学委员会主席Johan Åqvist教授打开黑箱，点亮了五只不同颜色的烧瓶。

“你们现在看到的五颜六色，就是溶液中的量子点，你看不到它们真实的样子，因为它们非常微小，统称为纳米粒子，只有几纳米那么大。”

这些小烧瓶内被称为量子点的粒子，都由相同的简单物质组成，那为什么它们的颜色会不一样呢？

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是挑战人类直觉的量子效应（Quantum size effects）。

每个学习化学的人都知道，元素的性质是由其电子数量决定的，然而在纳米尺度之下，粒子里面的电子开始挤作一团，最小的量子点发出蓝光，稍大一点的量子点则发出黄光、红光，只因尺寸不同。

早在1937年，物理学家赫伯特·弗勒利希（Herbert Fröhlich）探索了著名的薛定谔方程的理论结果，该方程表明，当粒子变得极小时，材料中电子分布的空间就会减少。因此，电子会被挤压在一起，这将使材料的特性发生巨大变化。

1981年，阿列克谢·伊基莫夫作为一名固体物理学家，在苏联瓦维洛夫国立光学研究所工作，正在研究彩色玻璃。他的博士专业方向本是半导体，运用众多光学方法来评估半导体材料，他将铜和氯添加入玻璃后，在玻璃被不同程度加热和冷却的过程中，他首次展示了氯化铜作为纳米粒子影响了玻璃颜色的效应。

X射线检查显示，玻璃内部形成了微小的氯化铜晶体，而制造的过程会影响这些颗粒的大小。在一些玻璃样品中，它们只有约2纳米大，而在其他玻璃样品中，它们的尺度达到了30纳米。

最大的颗粒吸收光的方式与氯化铜通常的吸收方式相同，但颗粒越小，它们吸收的光越蓝。作为一名物理学家，伊基莫夫非常熟悉量子力学定律，他很快意识到，他观察到了与尺寸相关的量子效应。他将这一结果发表在1981年的苏联科研期刊上，成为了世界上第一个发现“量子点”的人。

另一位获奖者也在自由漂浮于溶液中的纳米粒子里，看到了同样的效应。

彼时，因美苏冷战铁幕而不知晓伊基莫夫研究的情况下，美国化学家路易斯·布鲁斯在AT&T贝尔实验室研究太阳能实现化学反应。他使用了能够捕获光的硫化镉颗粒。布鲁斯将颗粒做得非常小，以便有更大的表面积可以发生化学反应。

但当他将颗粒放在实验台上一段时间后，它们的光学特性发生了变化，他猜测这可能是因为颗粒变大了。为了验证这个猜想，他生产了直径约为4.5纳米的硫化镉颗粒，比较了这些较小颗粒和直径约为12.5纳米的较大颗粒的光学特性。较大颗粒和硫化镉吸收相同波长的光，但较小颗粒的吸光度偏向蓝色。

布鲁斯于1983年发表了自己的发现，并开始研究一系列其他物质制成的粒子。这些物质出现的模式是相同的——粒子越小，它们吸收的光越蓝。

光学性质的变化，表明这种物质的特性完全改变了。由此可见，量子点是一类全新材料，它们与分子不同，试想如果想要用分子制造出不同的颜色，就需要选择不同结构的分子，就像我们熟知的焰色反应。

然而量子点拥有相同的结构，在同样的结构中拥有相同的原子，只不过小一些的量子点内的原子更少，大一些的量子点拥有更多原子。

尺寸带来的改变也不只是颜色，物质的其他特性也会随之改变，包括电、光、磁性能还有催化效应（即它们如何影响化学反应），甚至材料熔点。

所以量子点揭示出改变材料特性的新方法——不用制造新材料，而只用改变材料的尺寸大小。

这是纳米技术领域的重大基础发现，就仿佛元素周期表突然有了第三个维度。元素的性质不仅受到电子层的数量和外层电子数的影响，在纳米水平上，尺寸也很重要。

这个发现，激发了众多化学家的想象力，以此开发新材料。

原理明晰了，但投入实际应用并非易事，要让量子点发挥作用，不仅需要非常理想的粒子结构，还必须精准控制好纳米粒子的尺寸大小，基本上是在原子的尺度之内一层层控制，此外还需要完美的表面特性，最终才能出现清晰的颜色。

这个问题由另一位获奖者，MIT的“光之炼金术师”蒙吉·巴文迪，以独具一格的化学方法解决。

1993年，巴文迪的团队在研究特定尺寸的纳米晶体生长时，取得了重大突破。

他发明出一种更加可控的方法来控制尺寸，关键就在于精准控制粒子生长初始阶段成核那一刻的最初变化。他采用了精挑细选的热溶剂，在一瞬间突然注入反应试剂，能即刻形成微小的晶胚，也就是形核事件。

而后，随着溶液被稀释，温度骤降，粒子生长停止，再加热，小心翼翼地控制生长过程中的温度。这样不仅能控制大小，而且能让粒子大小变化保持在非常狭小的窗口之内，最终得到唯一的尺寸，其所选用的溶剂还能够保护好粒子表面。

这是大规模生产量子点的重要里程碑。如此一来，量子点投入实际应用的道路便开启了。

巴文迪因实现了量子点的高效稳定合成而广受赞誉，然而他的化学之路起初并不顺畅。

在2008年MIT校园报“The Tech”的采访中，已担任化学系教授的巴文迪，回忆起大学时的轶事，在第一场化学考试里，他只得了20分——满分是100分。“那时候我刚进哈佛，我打算用我高中的学习方法来应付大学学业，也就是‘完全没有方法’”，巴文迪说，“（考20分后）我吓坏了，很沮丧，打算就此退学。”

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但好在他并没有放弃。通过在考前从头开始做问题集，以及系统地浏览自己的笔记，巴文迪开始屡获最高分。他表示在哈佛大学这样的地方，不练习解决问题对他来说就等同于失败。

在被问到“工作，朋友，睡觉”如何三选二时，他也坦率回答“这辈子从没睡够过”。他表示：“工作和家庭贯穿人的一生，必须在年轻时，也就是还有能力不睡那么多的时候，找到一个平衡点。”

巴文迪在博后阶段师从布鲁斯，在诺奖的电话采访中，巴文迪尤其感谢了他。布鲁斯1943年出生于美国俄亥俄州，他高中就发现自己喜欢化学和物理，在五金店兼职打工的经历又让他对工具和机器十分感兴趣。

当他被莱斯大学（Rice University）录取时，恰逢刚刚开设化学物理（chemical physics）专业。他不知道自己能不能学好，但还是选了这门专业，大学生涯也让他彻底爱上这门学问。

实际上，布鲁斯的研究工作起初也难言顺利，从未在大城市长期生活的他，在深造时选择了纽约的哥伦比亚大学，最初的14个月，他没有任何可以发表的研究，好在，最终他还是只用4年，就获得了博士学位。

后来布鲁斯在贝尔实验室工作了23年，他很喜欢这里：“这是进行物理科学研究的最佳场所。”在23年里，他从未写过研究计划和预算，新想法只要跟管理层进行非正式讨论，然后就能进行。

工作之余，布鲁斯喜欢在自家花园里做园艺。园艺对他来说是从工作中脱离出来的好方法。“我喜欢在地上挖洞，因为挖洞能让你精疲力竭，也能让你看到自己工作的成果。”比起几个月都看不到结果的科研工作，园艺出结果的速度，显然要快得多。

在中文世界里，“量子”听起来神乎其神，也曾有诸如“量子速读”、“量子鞋垫”等骗局大行其道。

物理学中，量子是“最小不可分割的基本单位”；而在化学上，量子点的量子来源于纳米尺度下的量子限域效应，不同尺度的量子点发光波长不同，其所呈现的颜色也不同。

30年后的今天，量子点已成为纳米技术的重要工具，它可能影响所有与发光和光电应用相关的产业，并在商业化产品中更加精细和广泛地照亮我们的生活。

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美国医学与生物工程院院士、南开大学化学学院教授庞代文在接受媒体采访时表示，量子点“肯定能得诺贝尔奖，不用怀疑”，因为“原理是新的，材料是新的，性质是独一无二的，这是目前为止人类发现的光学性质最好的发光材料”，光是在他的团队，已有超过200万台彩电应用了量子点技术。

量子点的发光特性，最多的应用场景，是基于QLED技术的计算机和电视屏幕。在这些屏幕中，蓝光是使用获得2014年诺贝尔物理学奖的节能二极管产生的。量子点被用来改变部分蓝光的颜色，将其转换为红色或绿色。这让电视屏幕获得了显示图像所需的RGB三基色光，而且有望覆盖更宽的色域。

量子点还可用于化学发光反应中，作为催化剂或光发射器，以及生物传感器和细胞内或体内成像，广泛应用于医学成像技术，例如可视化肿瘤血管系统，可以实现实时多指标跟踪、检测和成像。

庞代文表示它足够亮、足够稳定，只要一颗就能够跟踪病毒感染的整个过程，在生物医学里可以用不同颜色的量子点标记，了解不同参数之间的相互关联和作用。

庞代文说：“没有任何材料可以与之媲美。”

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量子点给人类带来的利益，远不止这些，而我们才刚刚开始探索它的潜力。研究人员相信，未来量子点可以在柔性电子器件、微型传感器、更纤薄实惠的太阳能电池以及加密量子通信等众多领域作出贡献。

巴文迪表示：“我们发明了制造量子点的方法，量子点被世界各地的许多人使用……我们有很多合作。”令人惊奇的量子现象，还有很多跨越学科边界的未知等待探索。

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因学科交叉，诺贝尔化学奖常被戏称为“诺贝尔理综奖”，布鲁斯也在获奖时特别强调了合作的重要性，被问及得知获奖的第一反应，他回答：“我首先想到的是我所在的研究领域，想到了领域里没拿到诺奖的同行。”

“这个领域的研究是团队合作，不是单打独斗。有人负责物理研究，有人负责化学研究，有人负责材料科学研究，有人负责合成化学研究，有人负责有机金属化学研究……我参与了很多很棒的合作项目，我的合作者的贡献也应当被认可。”

某种程度上，师生二人都有坚韧宽宏的性情，巴文迪在电话里讲述自己师承布鲁斯任教的感受：“你让学生自己探索，你给学生提供反馈，你必须教会学生如何做一个科学家，你教学生做科研的时候，你得温和地教。”

2023年的诺贝尔科学奖系列已经收官，坐四十年冷板凳的mRNA疫苗、更快的阿秒、更小的量子点斩获殊荣，都是对创新、坚持、开放的学术态度的回应。

就像量子点的应用那样，这种精神也适合每一个人。正如巴文迪早年在采访中寄语年轻学子时所言：别把失败太当回事，很多看似无法克服的事情都会被克服；记住有所选择非常重要，但没有任何决定所带来的影响是永久性的，我们的选择总是有很多。

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文中配图部分来源于视觉中国，部分来源于网络