详解2023诺贝尔化学奖：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

他们令纳米技术拥有了颜色
芒吉·G. 巴文迪（Moungi G. Bawendi）、路易斯·E. 布鲁斯（Louis E. Brus）和阿列克谢·I. 叶基莫夫（Alexei I. Ekimov）因发现和开发量子点，共同荣获2023年诺贝尔化学奖。量子点是一类微小颗粒，具有独特的特性，已经应用在多个方面。例如，电视屏幕和LED灯的光线传导都与此相关，它们可以催化化学反应，它们清晰的光线也能为外科医生照亮肿瘤组织。
“托托，我有一种感觉，我们已经不在堪萨斯了。”这是电影《绿野仙踪》中的一句经典台词。当一场强大的龙卷风吹走了主人公多萝西的房子时，十二岁的她晕倒在了床上。当房子再次着陆，多萝西抱着她的狗——托托走出门外时，一切都改变了。突然间，她进入了一个神奇的彩色世界。
如果一场魔法龙卷风席卷我们的生活，将一切都缩小到纳米尺度，我们几乎肯定会像奥兹国的多萝西一样感到惊讶。我们的周围将会变得五光十色，一切都会改变。我们的金耳环会突然发出蓝色的光芒，而手指上的金戒指会发出红宝石般的光芒。如果我们尝试在燃气灶上煎东西，煎锅可能会融化。我们的白色墙壁因油漆中含有二氧化钛，还会开始产生大量的活性氧。
图 1. 量子点为我们创造彩色光提供了新的机会。

纳米尺度

在纳米世界中，事物的行为会有所不同。一旦物质的大小开始以百万分之一毫米为单位，奇怪的现象——量子效应——就会出现，这会颠覆我们的直觉。2023年诺贝尔化学奖得主都是探索纳米世界的先驱。20 世纪 80 年代初，路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫各自独立地成功合成了量子点，这种纳米粒子非常微小，量子效应决定了它们的特性。1993 年，芒吉·巴文迪彻底改变了制造量子点的方法，使其质量极高——这是它们应用于当今纳米技术的重要先决条件。
多亏了这三位获奖者的工作，现在人类能够利用纳米世界的一些奇特特性了。量子点现已出现在商业产品中，并应用于从物理、化学到医学的许多学科。但在展开描述这些内容之前，让我们先来揭开2023年诺贝尔化学奖的背景。
图 2. 量子点是一种通常仅由几千个原子组成的晶体。一个量子点相对于足球的大小，就像是足球相对整个地球的大小。

几十年来，纳米世界中的量子现象只是一种预测

当阿列克谢·叶基莫夫和路易斯·布鲁斯合成出第一个量子点时，科学家已经知道，它们理论上可能拥有不寻常的特性。1937 年，物理学家赫伯特·弗勒利希（Herbert Fröhlich）就已经预测纳米粒子的行为不会像其他粒子一样。他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（既是波又是粒子）会被挤压在一起。弗勒利希意识到这将使材料的特性发生巨大变化。
这种可能性吸引了许多研究者，他们利用数学工具成功地预测了许多量子尺寸效应。他们还努力尝试在现实中呈现它们。但这说起来容易做起来难——科学家需要雕刻一个只有针头一百万分之一大小的结构。

利用量子效应

尽管如此，在 20 世纪 70 年代，研究人员还是成功制出了这种纳米结构。他们利用一种分子束，在块状材料上制造出了一层纳米级厚度的涂层。组装完成后，他们发现该涂层的光学特性可以随其厚度的变化而变化，这一观察结果与量子力学的预测相吻合。
这是一项重大的突破，但需要非常先进的技术。研究人员需要超高真空和接近绝对零度的温度，因此很少有人想到量子力学现象能够得到实际应用。然而，科学时不时会带来意想不到的结果，这一次，转折点就出现在对一项古老发明的研究上：彩色玻璃。

单一物质可以赋予玻璃不同的颜色

对彩色玻璃最古老的考古发现距今已有数千年历史。玻璃制造商已经测试了各种方法，以了解如何制造颜色各样的的玻璃。为此，他们添加了银、金和镉等物质，然后在不同的温度下生产出了色泽美丽的玻璃。
在19世纪和20世纪，当物理学家开始研究光的光学特性时，玻璃制造商对光的了解就派上用场了。物理学家可以使用彩色玻璃来滤掉特定波长的光。为了优化实验，他们开始自己生产玻璃，并由此获得了重要的发现。他们了解到的一件事是，一种物质就可以产生具有多种不同颜色的玻璃。例如，硒化镉和硫化镉的混合物可以使玻璃变成黄色或红色——会产生哪一种颜色取决于熔融玻璃的加热程度和冷却方式。最后，他们还证明颜色的形成来源于玻璃内部形成的颗粒，并且可形成的颜色取决于颗粒的大小。
这大概是 20 世纪 70 年代末学界所了解的知识。今年的诺贝尔化学奖得主之一、彼时刚刚博士毕业阿列克谢·I.叶基莫夫 (Alexei Ekimov) 开始在苏联的圣彼得堡Vavilov国家光学研究所（Vavilov State Optical Institute）工作。

阿列克谢·叶基莫夫揭示了彩色玻璃的奥秘

同一种物质可以制造不同颜色的玻璃，这件事引起了叶基莫夫的兴趣，因为这实际上是不合逻辑的。如果你用镉红画一幅画，它永远都会是镉红色，除非你混合其他颜料。那么同一种物质为何能赋予玻璃不同颜色呢？
在攻读博士学位期间，叶基莫夫研究的是半导体，这是微电子学的重要组成部分。在该领域，光学方法被用作评估半导体材料质量的诊断工具。研究人员用光照射材料并测量吸光度，这能表征材料是由什么物质制成的，以及晶体结构的有序程度。
叶基莫夫熟悉这些方法，因此他开始用它们来检查彩色玻璃。经过一些初步实验后，他决定系统地生产用氯化铜着色的玻璃。他将熔融玻璃加热到500°C到700°C，加热时间从1小时到96小时不等。玻璃冷却并硬化后，他进行了X射线检查。散射光线显示，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。
有趣的是，玻璃的光吸收会受到这些颗粒尺寸的影响。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，叶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。
这是科学家首次成功地刻意制造了量子点——一种引起尺寸依赖性量子效应的纳米颗粒。1981年，叶基莫夫在苏联科学期刊上发表了他的发现，但这对于铁幕另一边的研究人员来说很难获得。因此，1983年，当同样是今年诺贝尔化学奖的获得者——路易斯·布鲁斯首次在溶液中发现了自由漂浮的粒子具备尺寸依赖性的量子效应时，他并不知道叶基莫夫的发现。
图 3. 当粒子收缩时会产生量子效应。当粒子直径仅为几纳米时，电子可用的空间就会缩小。这会影响粒子的光学特性。

布鲁斯证明粒子的奇怪特性是量子效应

路易斯·布鲁斯（Louis Brus）当时在美国贝尔实验室工作，他长期的研究目标是利用太阳能实现化学反应。为了实现这一目标，他使用了硫化镉颗粒。这种颗粒可以捕获光，并利用其中的能量来驱动反应。布鲁斯将溶液中的这些颗粒做得非常小，因为这样就有更大的区域可以发生化学反应；材料切得越碎越多，暴露在周围环境中的表面积就越大。
在研究这些微小粒子的过程中，布鲁斯注意到一些奇怪的事情——当他将它们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。为了证实他的怀疑，他生产了直径约为 4.5 纳米的硫化镉颗粒。随后，布鲁斯比较了这些新制造的颗粒的光学特性和直径约为 12.5 纳米的较大颗粒的光学特性。较大的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（图 3）。
和叶基莫夫一样，布鲁斯明白他观察到了与尺寸有关的量子效应。他于 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颗粒。这些物质出现的模式是相同的——颗粒越小，它们吸收的光越蓝。

元素周期表获得了第三个维度

这里，您可能会想问“为什么如果物质的吸光度稍微偏向蓝色会很重要？这真的很神奇吗？”
是的，光学性质的变化表明这种物质的特性完全改变了。一种物质的光学特性是由其电子控制的。同样这些电子还会控制物质的其他特性，例如催化化学反应或导电的能力。因此，当研究人员检测到物质的吸收度变化时，他们明白自己实际上正在研究一种全新的材料。
如果你想了解这一发现的重要性，你可以想象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，而且在纳米水平上，尺寸也很重要。一位想要开发新材料的化学家因此有了另一个因素需要考虑——当然，这也激发了研究人员的想象力！
只有一个问题。布鲁斯用来制造非粒子的方法通常会导致质量不可预测。量子点是微小的晶体（图 2），当时生产出的量子点通常存在缺陷。它们的大小也各不相同。不过可以通过控制晶体的形成方式，使颗粒具有一个相对固定的平均尺寸，但如果研究人员希望溶液中所有颗粒的尺寸大致相同，就必须在制成后对它们进行分类。这是一个艰难的过程，会阻碍研究的发展。

芒吉·巴文迪彻底改变了量子点的生产

这是今年第三位诺贝尔化学奖获得者决定要解决的问题。芒吉·巴文迪（Moungi Bawendi）于 1988 年在路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus）实验室开始了博士后工作，这所实验室中正在进行大量尝试，以改进用于生产量子点的方法。研究者使用一系列溶剂、温度和技术，对多种物质进行实验，尝试形成组织良好的纳米晶体。他们得到的晶体的确在变得更好，但仍然不够好。
然而，巴文迪并没有放弃。他随后开始在美国麻省理工学院 (MIT) 担任研究负责人，并继续努力生产更高质量的纳米粒子。重大突破出现在 1993 年，当时研究小组将形成纳米晶体的物质注入经过加热且精心选择的溶剂中。他们注入了恰好形成饱和溶液所需的物质量，从而导致微小的晶体胚胎开始同时形成（图 4）。
然后，通过动态改变溶液的温度，巴文迪和研究团队成功使特定尺寸的纳米晶体生长了出来，在这个过程中，溶剂可以令晶体的表面变得光滑且均匀。
巴文迪生产的纳米晶体几乎是完美的，并产生了独特的量子效应。同样，由于生产方法很简单，因此这带来了革命性的突破——越来越多的化学家开始研究纳米技术，并开始研究量子点的独特性质。
图 4.1.巴文迪将能形成硒化镉的物质注入加热的溶剂中，加入的量足以使针周围的溶剂饱和。2.硒化镉的小晶体立即形成，但由于注射冷却了溶剂，晶体会停止形成。3.当巴文迪提高溶剂温度时，晶体再次开始生长。这种情况持续的时间越长，晶体就会变得越大。

量子点的发光特性有了商业用途

三十年后的现在，量子点已成为纳米技术的重要工具，并出现在商业化的产品中。研究人员主要利用量子点来产生彩色光。如果用蓝光照射量子点，它们会吸收光并发出一种不同的颜色。通过改变粒子的大小，我们可以精准确定它们的发光颜色（图 3）。
量子点的发光特性被用于基于QLED技术的计算机和电视屏幕，其中Q代表量子点。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三基色光。
一些LED灯也使用了量子点来调节二极管的冷光。这让光线既能像日光一样充满活力，又能使其像暗淡灯泡发出的暖光一样平静。量子点发出的光也可用于生物化学和医学。生物化学家将用量子点与生化分子相连接，以便绘制细胞和器官图谱。医生已经开始研究用量子点追踪体内肿瘤组织的潜在效用。化学家利用量子点的催化特性来驱动化学反应。
量子点正在将其对人类的利益最大化，而我们才刚刚开始探索它的潜力。研究人员相信，未来量子点可以为柔性电子产品、微型传感器、更纤薄的太阳能电池以及加密量子通信做出贡献。有一点是肯定的——关于令人惊奇的量子现象，还有很多未知须要探索。因此，如果 12 岁的多萝西正在寻找冒险，纳米世界可以提供很多东西。