2023-10-04 获诺贝尔化学奖的量子点是什么

10.4

知识分子

The Intellectual

导 读

2023年诺贝尔化学奖授予了美国麻省理工学院化学教授

蒙奇巴文迪

复旦大学物理学系教授施郁告诉《知识分子》，物理、化学、材料科学都关注量子点，而化学提供了一种制备方法。量子点将电子束缚在小范围，堪称人工原子。2023年将化学诺奖颁发给量子点说明物理、化学、材料科学的密切关系。化学另一方面也与生命科学密切相关，也常发给生命科学方面。这些情况都说明化学奖的丰富多彩。

值得一提的是，今年诺贝尔化学奖被提前泄露。瑞典公共广播公司 SVT 表示，瑞典皇家科学院周三7点31分（北京时间13时31分）发出了一份包含2023年诺贝尔化学得主名单的新闻稿，提到“奖励颁发给量子点，纳米晶体是如此的小，以至于它们的尺寸控制了它们的性质”，诺贝尔化学委员会专家海纳林克(Heiner Linke)告诉瑞典报纸《每日新闻》(Dagens Nyheter)，周三上午尚未做出任何决定，如果发布新闻稿，那“肯定”是一个错误。

撰文｜李璐

审读｜周惟欣（美国匹兹堡大学生物医学科学博士）

责编 | 夏丹

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纳米晶体指晶粒为纳米尺寸的晶体材料，或具有晶体结构的纳米颗粒,一般尺寸小于100纳米。直径小于10纳米的半导体纳米晶体，则通常被称为量子点（Quantu//www.czybx.comm Dot）。这个名字，来源于其独特的量子限域效应或者量子尺寸效应。2023 年诺贝尔化学奖奖励量子点的发现和开发，这种纳米颗粒非常微小，其尺寸决定了其特性白熊资讯网。这些最小的纳米技术组件现在可以传播电视和 LED 灯发出的光，还可以指导外科医生切除肿瘤组织等。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；这些取决于事情的大小。2023 年诺贝尔化学奖获得者成功地制造出了如此小的粒子，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。“量子点具有许多令人着迷且不寻常的特性。重要的是，它们根据大小而具有不同的颜色，”诺贝尔化学委员会主席 Johan qvist 说道。物理学家早就知道，理论上纳米粒子中可能会出现与尺寸相关的量子效应，但当时几乎不可能在纳米尺寸上进行雕刻。因此，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，Alexei Ekimov成功地在有色玻璃中创造了依赖于尺寸的量子效应。颜色来自氯化铜纳米颗粒，埃基莫夫证明颗粒尺寸通过量子效应影响玻璃的颜色。几年后，路易斯布鲁斯（Louis Brus）成为世界上第一位证明流体中自由漂浮的粒子的尺寸依赖性量子效应的科学家。1993 年，Moungi Bawendi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。这种高质量对于它们在应用中的使用是必要的。现在，量子点照亮了基于 QLED 技术的计算机显示器和电视屏幕。它们还为一些 LED 灯的光线增添了细微差别，生物化学家和医生使用它们来绘制生物组织图。量子点正在为人类带来最大的福祉。研究人员相信，未来它们可以为柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信做出贡献——所以我们刚刚开始探索这些微小颗粒的潜力。」

Moungi G.Bawendi 蒙奇巴文迪

美国麻省理工学院化学教授，1993年Moungi G. Bawendi教授领导的科研小组第一次在有机溶液中合成出了大小均一的量子点，从而推动了整个领域的发展。

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他们将硫、硒、碲三种氧族元素溶解在三正辛基氧膦中，而后在200到300摄氏度的有机溶液中与二甲基镉反应，生成与此对应的材料：硫化镉、硒化镉与碲化镉。此后，在此基础上出现了许多合成胶状量子点的方法，目前大部分半导体材料都可以用化学溶液生长的方法合成相应的量子点。

Bawendi带领的团队在高质量的胶体半导体纳米材料的合成方面有着丰富的经验，并将其引入到光电领域。目前的材料类别包括用于光学和磁共振成像应用的InAs和氧化铁纳米颗粒，用于照明的InP量子点，用于量子光生成的卤化铅钙钛矿量子点。

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通过采用前体优化和配体工程等策略，他带领的团队设计了各种坚固的、功能性强的纳米材料，并组装成更复杂的结构。

Bawendi的团队也致力于生物领域的实践研究，他带领团队开发了新的光学成像探针，例如利用SWIR发射InAs量子点和染料，以及通过组织传输的独特成像技术。

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目前，该团队的研究重点是跟踪细胞迁移和血管生成以及光学脑成像技术的发展。这些技术与SWIR光的特性及有关研究相辅相成，共同为光电子学和光学造影应用于生物成像提供了信息。

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Louis Eugene Brus 路易斯优根布鲁斯

哥伦比亚大学化学教授，鲍尔科学成就奖获得者。2004年，其当选为美国国家科学院院士，他的研究表明，当可见光谱的波长照射时，贵金属粒子之间会产生强烈的吸引力

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。他讨论了这背后的基础科学，以及如何利用这种光学特性来满足对纳米级研究工具日益增长的需求[13]。

作为一名物理化学家，Brus在原子水平上进行了20多年的研究，他最著名的是对半导体纳米晶体的研究。1983年，他在贝尔实验室证明硫化镉胶体的大小被改变的同时，其激子能量也随之变化。他将这种胶体与量子点的概念联系起来，首次提出胶状量子点（colloidal quantum dot），实现了胶体半导体量子点的控制合成，因此其被称为量子点的胶体半导体纳米晶体的发现者。

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Brus注重团结协作，他曾与弗里斯纳(R. Friesner)密切合作，对二氧化钛纳米颗粒表面附近的光激发电子进行理论研究，目的是了解可见光如何与物质相互作用，以及如何在光伏电池尤其是在纳米颗粒和纳米线中，使电激发演变成分离的电子和空穴。

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为了制作越来越小的颗粒进行研究，他与博士后Paul Alivisatos 和Moungi Bawendi和有机金属合成化学家Michael Steigerwald 合作，Brus说:“这种合作是绝对必要的，而且非常有成效。”他们一起了解从摩尔计算到大块半导体的演变,这些纳米晶体对微电子学非常重要,该团队发现，计算的未来取决于越来越小的半导体

[16-17]

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Alexey I. Ekimov

Alexey I. Ekimov，俄罗斯固体物理学家，在瓦维洛夫国立光学研究所工作期间发现了被称为量子点的半导体纳米晶体。1975年，他因在半导体电子自旋取向方面的工作而荣获苏联国家科学与工程奖。他因“纳米晶体量子点的发现及其电子www.czybx.com和光学特性的开创性研究”而成为美国光学学会2006年R. W. Wood 奖的共同获得者。

参考文献：

[1]Mitch J. Paul Alivisatos named 2021 Priestley Medalist[J]. CHEMICAL & ENGINEERING NEWS,2020,98(25).

[2] Welch Award in Chemistry:A. P. Alivisatos and C. M. Lieber / Wilhelm Exner Medal:J. M. DeSimone / Ernst Schering Prize:P. Cramer.[J]. Angewandte Chemie (International ed. in English),2019,58(50).

[3]Nano Solar Cells.[J].Technology Review,2003,106(1).

[4]Wang L. Welch Award to Paul Alivisatos and Charles Lieber[J]. Chemical & Engineering News,2019,97(45).

[5]PAUL ALIVISATOS LBNL’s NEW DIRECTOR focuses on renewable energy, climate.Chemical & Engineering News,2010,88(6).

[6]www.wikipedia.org

[7]Scalable Synthesis of InAs Quantum Dots Mediated through Indium Redox Chemistry.Matthias Ginterseder et al. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142 (9), 4088-4092.

[8]Non-invasive monitoring of chronic liver disease via near-infrared and shortwave-infrared imaging of endogenous lipofuscin. Mari Saif et al. Nat. Biomed. Eng. 2020, 1-13.

[9]https://nanocluster.mit.edu

[10]Engineering the composition of bimetallic nanocrystals to improve hydrodeoxygenation selectivity for 2-acetylfuran.[J] Applied Catalysis A: General,2020,606(000).

[11]Effect of Ni particle size on the production of renewable methane from CO2 over Ni/CeO2 catalyst.[J] Journal of Energy Chemistry,2021,61(000).

[12]Biogra白熊资讯网phy of Louis E. Brus.

[13] Hallock, A. J., Redmond, P. L. & Brus, L. E.(2004) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 1280–1284.

[14]Jiang, J., Bosnick, K., Maillard, M. & BrepqeHCus, L.(2003) J. Phys. Chem. B 107, 9964–9972

[15]Metallic Carbon Nanotubes and Ag Nanocrystals.

[16]Steigerwald, M. L., Alivisatos, A. P., Gibson, J. M.,Harris, T. D., Kortan, R., Muller, A. J., Thayer,A. M., Duncan, T. M., Douglass, D. C. & Brus,L. E. (1988) J. Am. Chem. Soc. 110, 3046–3050.

[17]Steigerwald, M. L. & Brus, L. E. (1989) Ann. Rev.Mater. Sci. 19, 471–495.

[18]In situ with Taeghwan Hyeon The nanoparticle pioneer on the importance of reading,exercise and nurturing excellent young scientists.

[19] Metal Oxide Nanoparticles: Large‐Scale Synthesis and Medical Applications of Uniform‐Sized Metal Oxide Nanoparticles (Adv. Mater. 42/2018)

[20] Flexible Displays: Ultrathin Quantum Dot Display Integrated with Wearable Electronics (Adv. Mater. 38/2017)

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