究竟啥是量子点？尹哥关于2023年诺贝尔化学奖的解读来了

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10月4日，2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院教授蒙吉•G•巴文迪（Moungi G. Bawendi）、哥伦比亚大学教授路易斯•E•布鲁斯（Louis E. Brus）和俄罗斯科学家阿列克谢•伊基莫夫（Alexey I. Ekimov），以表彰他们在“量子点的发现与合成”中作出的开创性贡献。

我们可以简单记住“量子点”这个概念，但实际上表彰的角度是“量子点发现与合成”，也就是从材料化学和新材料应用的角度来肯定这个奖项的，正如今年mRNA疫苗获奖的角度是公共卫生应用而不是碱基修饰。如果从碱基修饰的角度看，mRNA疫苗更接近于化学奖，类似2020年的基因编辑。

我们也简单地看一下，这三位获奖者背后的故事。

排第一的是巴文迪，1961年出生于法国巴黎，后来获得美国伊利诺伊州芝加哥大学博士学位，在贝尔实验室做了两年博后便一直任MIT化学系教授。1993年，他的课题组冒着生命危险，开发了可精确控制量子点大小、形状和组成的新颖方法，彻底改变了量子点的化学生产方式，产生了近乎完美的量子点材料，所以排名第一。

排名第二的布鲁斯，1943年出生于美国，后获美国哥伦比亚大学博士学位并担任哥大教授，他于1983年在贝尔实验室工作期间独立地发现了半导体纳米晶体，并创造新的术语将其正式命名为量子点。

最后一位伊基莫夫，1945年出生于前苏联，后来获得俄罗斯圣彼得堡物理技术研究所博士学位，曾任美国纽约纳米晶体技术公司的首席科学家。在1981年他发现了同一种物质但不同的晶体尺寸能给玻璃带来不同的颜色，从而推动了量子点概念的诞生，只不过论文是俄语写的，所以在当时的影响并没有这么大。

有趣的事还挺多的。

首先，是疑似泄密。早在正式宣布获奖者前的四个多小时，瑞典《每日新闻报》便报出瑞典皇家科学院的一封电子邮件，似乎无意提前泄漏了获奖者名单。为此，瑞典皇家科学院发言人伊娃·内维柳斯（Eva Nevelius）也在第一时间做出回应，并计划对此事展开调查。这个危机公关做得还是令人信服的，毕竟诺奖委员会背后都是一个个具体的人，偶尔忙中出错也可以理解。

再次，今年的这个奖被很多网友戏称为“理综奖”。因为此次化学奖颁给量子点领域，更进一步地说明物理、化学及材料科学等领域的密不可分。此外，也有业内人士认为，量子点获诺奖是迟早的事，但以后纳米材料领域再想获奖恐怕就难上加难了。

我们先拆一下这三个字，“量子”+“点”。

先说“量子”。在物理和化学上，量子还不是同一个概念。物理上，量子是“最小不可分割的基本单位”，这个“不可分割”在目前的认知范围内，就是普朗克长度了，约等于1.6x10^-35米，这个尺寸是远远小于所有原子大小的。而化学上，量子点中的“量子”指尺度在1～10纳米的“小球”的量子限域效应，而原子半径最大之一的铯原子直径是470皮米，也就是约等于半纳米（500皮米），所以可以说化学上的量子点和原子大小相对接近。至于什么是量子限域效应，咱们稍后再讲。

再说什么是“点”。如果在纸上点个点，无论用什么笔、在什么材料上画，这个点其实都是有长宽高的，已经是一个三维的体了。真正立体几何意义上的一个点，在长宽高上都不延展，所以是0维的。如果是1维的，那就是一条线，2维就是一个面，3维是一个体，4维是体的长宽高再加上时间，以此类推。要知道，这里说的量子点并不是一个点，它还是有空间体积的，我们可以简单地把量子点理解成近似零维或低维的。

那么，如果想用一句话说清楚量子点，就是纳米尺寸的半导体材料，它的纯品就是纳米尺度的单晶。这样的材料从现在人类掌握的技术看几乎是“完美”的。它不但具备半导体特性，同时每一个量子点又是一个可操控的量子系统，比如可以操控光子，从而用于LED照明、QLED量子液晶、光子计算等，可以预见，未来所有与发光和光电应用相关的产业，量子点技术都大有可为。

我先讲个真实的故事。我上高中的时候，一位化学老师讲金属元素时说了这样一段话，令人印象深刻：像铁、银这样的金属，大块大片的时候你看着是亮晶晶的，但如果是粉末状，纯品也都是黑的，你不要理解所有元素一直拆下去，它的性质始终不变。

量子点的神奇之处也类似，我们把物质持续向下分解，当分解到纳米尺度的时候，很多性质都和我们平时看的不一样了。因为在此之前，人类尚不掌握能够制造如此精密的制备纳米材料的方法，所以没有想到同一种材料到了纳米尺寸的时候竟然能出现如此有趣的性质。

大家可以看一下这个经典的量子点模型（真实情况下，不同成分粒径和颜色不一样），同一种物质在不同尺寸上可以像彩虹一样呈现赤橙黄绿青蓝紫，如2纳米时是紫色的、3纳米时是绿色的、4纳米时是黄色的、5纳米时是橙色的、7纳米时是红色的，粒径越大，对应的颜色波长越红移。

在之前已经说过了，这次化学奖的核心不是“量子点”，而是量子点的发现和合成。也就是说，这是一个从量子点的“科学发现”、到量子点材料的“技术发明”，再到量子点材料“产业发展”都已经到位的情况下，才给予的奖励，前后跨度也是40多年。

我很喜欢的一位物理学巨匠理查德·费曼曾经讲过的一句话：“我造不出来的，我就不会理解。（What I can not create, I do not understand）”。也就是说，知其然还要知其所以然。只发现了量子点现象，但还不能批量制造量子点的时候，就不能算真正理解了量子点，也很难规模化辅助应用。

当然，解决了材料合成的技术问题，还要解决材料合成的成本问题，如早在2013年，索尼就已经推出全球首款量子点电视，但至今量子点电视尚未“飞入寻常百姓家”。这主要是材料的成本问题，其实也是时间问题。

如今量子点的用途就太多了。在我所在的生物医学领域，量子点技术已被用于生物成像和药物传递。由于量子点具有可调控的发光性能和较长的寿命，它们成了高分辨率生物成像工具的不二之选，用于指导外科医生切除肿瘤组织等方面。科学家们利用量子点的特性标记和追踪细胞、分子和组织，可以深入研究生物体内部的结构和功能，包括做体外诊断。此外，量子点还可作为载体，将药物更为精准地传递到特定的细胞或组织，从而提升治疗效果并减少相应的副作用。

而由于量子点是半导体的纳米级晶体，属无机材料，具有稳定性强、寿命长、不易老化等特点。加上量子限制效应使其具有独特的光学和电子性质，能进行全色域显示和精准的色彩控制，因而得以广泛应用于LED灯、电视屏幕、太阳能电池、柔性电子器件、微型传感器、更薄的太阳能电板、农业薄膜、量子计算、加密量子通信和纳米技术等领域。

物理其实是个很有意思的学科或科学，比如低速物体用牛顿定律基本就能准确阐述，但高速物体（接近光速）就要用到相对论了；宏观上，我们一般关心引力和电磁力，到了微观上，比如基本粒子就要强弱相互作用了。

打个比方，比如一所学校，课间的时候大家都在操场上，这个时候每个人的空间都足够大，大家也就比较和谐，脸色都正常。忽然来了恐怖袭击，大家都要躲到教学楼内，那么因为躲到礼堂的人多，所以热得脸红了，且都一样红；而如果躲到卫生间可能就比较躁狂了，脸都变蓝了，且都一样蓝，而房间越小，脸越蓝。好了，现在把学生想成电子，差不多就是这个概念了。

量子限域效应也叫做量子尺寸效应，简单理解，即它的性质与量子点尺寸有直接的关系。通过变换量子点的尺寸，就可以改变它的半导体性质。

今年的诺奖主要是通过控制量子点的尺寸，进而产生不同颜色的材料。而之所以呈现不同颜色，取决于电子吸收什么样的光线。所以如果有一种办法，能够把量子点中的电子都规范地束缚在一个范围内，那么它们发出的光线就是确定的，而这个材料也就是稳定的，这样的效应就是量子限域效应。类似分不同面积的房子，同一面积内脸色一样，但面积越小，脸色越蓝。

额外提一句，量子限域效应早在1961年，就由日本久保和合作者提出了。而再往前，1937年，年仅32岁的物理学家赫伯特·弗洛里希经过计算后就进行了预言，当材料颗粒的尺寸变得极小时，既是波又是粒子的电子会被挤压在一起，这将导致材料的特性发生巨大变化。

人类在几千年前就知道了彩色玻璃，而这次诺奖获奖的第三位，也就是前苏联的叶基莫夫发现，用氯化铜着色的玻璃，氯化铜颗粒大小如果不一样，玻璃颜色就会发生变化。颗粒越小，它们吸收的光越蓝。

后来的第二个获奖者布鲁斯也在两年后，即1983年独立发现了类似的现象（因为他并不知道叶基莫夫用俄语写的论文），只不过他不是在玻璃而是在溶液中，也不是氯化铜而是硫化镉，同样是颗粒越小，吸收的光越蓝。他还发现，这些溶液中的颗粒会自己慢慢变大，而他的制备方法也无法获得均一的材料，还有后期进一步分离纯化。

这就有了巴文迪的获奖理由，他找到了可以稳定、批量生产量子点的方法，当然因为开始的合成条件严苛，他和团队在实验室合成可是冒了生命危险的。

我们都学过元素周期表，是由元素的质子数来排序的。而一种化学元素的特性主要受其电子层数和外壳电子数的影响。这被认为是元素周期表的两个维度。如今我们知道了，其实还受这种元素的尺寸，主要是到了纳米尺寸时的影响，这就是第三个维度。相当于原来我们一直觉得元素只有“长”“宽”两种调节方式，如今忽然发现还可以从第三个维度即“高度”来调节，那么我们对元素的利用程度就大大提高了。

这个让门捷列夫的元素周期表从平面到立体的发现，就源自“颗粒越小、发光越蓝”这个简单的现象，但机会却总是留给有准备的头脑。我们在生活中，也会发现很多奇怪但有规律的事情，所谓“事出反常必有‘道’，不错过细节，多思考为什么，我们就离科学又近了一大步”。

比如今年的mRNA，很多人觉得应该是化学奖，而量子点，则被开玩笑说应该是理综奖。其实诺贝尔所在的时代，这些学科或许还是分得清楚的，但如今的形势要求多学科交叉已经是必然趋势。其实科学词源的本意就是“知识”，知识既无高低，也不应分科。

也有网友这样留言，“这几年，我感觉化学奖独立存在的意义越来越低了。”

这个留言讲得还是蛮有见地的，我一直讲生命的本质是化学，化学的本质是物理。换一种阐述就是，化学往高维度上演进就是生命，化学往根本上还原就是物理。所以，化学要不和生命科学分不开，要不和物理分不开。

我们今天所讲的是经典化学的范围，还是元素之上，也就是不修改原子核的范围。王恩哥院士有一句话让我印象很深：目前的物质科学说来说去大多都是原子核外，什么时候我们真正能够对核内下手制造元素了，那才算真正接近能量无极限，才可能真正去理解宇宙的奥秘。

人类目前，确实还不能自由地去制造元素，而宇宙中自然存在的88～92种元素都还是大爆炸的遗产。今天人类真正能用的可控核聚变也还只停留在氢的同位素，即氘与氚的聚变，且还不够成熟。而哪怕仅仅是元素周期表第二位的氦，目前在地球上尚无法合成。当然太阳是可以的，太阳的核心是3000亿个大气压和1500万K的温度，其能量来源就是4个氢核聚变成一个氦核，也就是1号元素到2号元素的核聚变。

今年诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖、化学奖一共8个得主：6个美国人，1个奥地利人，1个瑞典人。但需要注意的是，在6个美国人中4个是移民，分别来自匈牙利、法国、法国、前苏联，剩下2个出生在美国的，往前看都是东欧裔的犹太人。

从这个点上看，美国能够保持科研领先性的原因之一，就是可以吸纳全球大量的科技精英，二战的时候欧洲去了一大批，冷战之后前苏联又去了一大批。所以虽然美国人口看起来只有3亿多，但它可以吸引发展中国家，比如中国和印度两个人口大国的科技精英，也能吸纳如欧洲、日韩、加拿大、澳大利亚等国家的科技精英。他山之石，可以攻玉啊，这种掐尖策略，并且能够长期保持，值得所有国家考虑背后的原因，我们也要创造更加利于创新的土壤，让更多的人才在祖国发挥应有的价值。

每年诺奖都差不多是十一假期，今年比较早，是10月的2、3、4号，而且公布时间都是吃晚饭的时间。在走亲戚、串朋友之时收到消息，然后往往还得小酌一下之后，晚上打起精神查资料，想想要如何给大家科普下才合适。

因为往往都在外地，经常没有合适的拍摄空间，一般要躲在卫生间，光线好、墙白还不打扰家人……但自拍视频，难免就成了大头照，尹哥没啥资格靠颜值混，还是希望大家多关注内容本身哈。

但现在诺奖的几个自然科学奖，真的越来越复杂，每一个知识点都可以外延并深入到很多领域，所以讲到什么程度更合适就成了很关键的选择。

科普一直如此，讲深了吧，别人说你讲不清楚、故弄玄虚，但为了方便理解打比方，又会被很多朋友说太不严谨。

比如我已经讲成这样了“尹哥知道了至少在当下已知的科学范畴内，宇宙不是无限久和无限大的，微观也不是无限短和无限小的”，很多留言却还是“你凭啥说宇宙是有限的？有限之外的那也是宇宙！”又或者“当然可以比普朗克长度更短，只是现在的宇宙内无法检测”，甚至还有用玄幻小说的观点来给我做“勘误”的……

尹哥在哭笑之余，不免想起好朋友汪诘给我讲的一个故事：“关于民科谈相对论，主要是狭义相对论，因为就是围着有没有超光速展开，而质能方程小学数学也都能理解E=mc²；但到了广义相对论，几乎就见不到民科意见了，核心是有点复杂，因为数学不会就是不会了……”

其实科普重在启发兴趣，而不是传授知识，不然还要教育系统做什么？在我的能力范围内，尽可能把一个问题讲清楚讲透，特别是能够启发兴趣的点要带出来，尤其要合青年一代、孩子们的胃口。当然，每个人知识都有盲区，尹哥也有很多不准确的理解，遇到讲错的地方大家客观地提出来，对我也是一个促进。

有个网友的这句留言还是挺温暖的：“尹哥加油啊。从来不缺指指点点的，就缺你这样躬身入局的”。

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