关键词 | 诺贝尔化学奖  揭晓

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2023 年 10 月 4 日北京时间 17 时 45 分许，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2023年度诺贝尔化学奖授予美籍法国-突尼斯裔化学家莫吉·G·巴旺迪 (Moungi G. Bawendi)，美国化学家路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus) 和俄罗斯物理学家阿列克谢·埃基莫夫(Alexei I. Ekimov)，以表彰他们发现和合成量子点。

莫吉·G·巴旺迪 (Moungi G. Bawendi）

Moungi G. Bawendi，突尼斯裔美国化学家，麻省理工学院 (MIT) 教授。1961 年出生于法国巴黎。1988年获得美国伊利诺伊州芝加哥大学博士学位。Bawendi 是胶体量子点研究领域的最早参与者之一，也是过去十年被引用最多的化学家之一。他于 2020 年成为科睿唯安引文桂冠获得者。

路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)

Louis E. Brus，美国化学家，1943年出生于美国俄亥俄州，1969年获美国纽约哥伦比亚大学博士学位。现任美国纽约哥伦比亚大学教授。1998年当选为美国艺术与科学院院士，2004年当选为美国国家科学院院士，并且是挪威科学与文学学院的成员。

阿列克谢·埃基莫夫(Alexei I. Ekimov)

Alexei I. Ekimov，俄罗斯固态物理学家，在瓦维洛夫国立光学研究所工作时发现了被称为量子点的半导体纳米晶体。1945 年出生于前苏联。1974 年获得俄罗斯圣彼得堡 Ioffe 物理技术研究所博士学位。曾任美国纽约市 Nanocrystals Technology Inc. 首席科学家。他因在半导体电子自旋取向方面的工作而获得1975 年苏联国家科学与工程奖。他是 2006 年美国光学学会RW Wood 奖的共同获得者表彰“纳米晶体量子点的发现及其电子和光学特性的开创性研究”。

 获奖成果 

They planted an important seed for nanotechnology

The Nobel Prize in Chemistry 2023 rewards the discovery and development of quantum dots, nanoparticles so tiny that their size determines their properties. These smallest components of nanotechnology now spread their light from televisions and LED lamps, and can also guide surgeons when they remove tumour tissue, among many other things.

Everyone who studies chemistry learns that an element’s properties are governed by how many electrons it has. However, when matter shrinks to nano-dimensions quantum phenomena arise; these are governed by the size of the matter. The Nobel Laureates in Chemistry 2023 have succeeded in producing particles so small that their properties are determined by quantum phenomena. The particles, which are called quantum dots, are now of great importance in nanotechnology.

“Quantum dots have many fascinating and unusual properties. Importantly, they have different colours depending on their size,” says Johan qvist, Chair of the Nobel Committee for Chemistry.

Physicists had long known that in theory size-dependent quantum effects could arise in nanoparticles, but at that time it was almost impossible to sculpt in nanodimensions. Therefore, few people believed that this knowledge would be put to practical use.

However, in the early 1980s, Alexei Ekimov succeeded in creating size-dependent quantum effects in coloured glass. The colour came from nanoparticles of copper chloride and Ekimov demonstrated that the particle size affected the colour of the glass via quantum effects.

A few years later, Louis Brus was the first scientist in the world to prove size-dependent quantum effects in particles floating freely in a fluid.

In 1993, Moungi Bawendi revolutionised the chemical production of quantum dots, resulting in almost perfect particles. This high quality was necessary for them to be utilised in applications.

Quantum dots now illuminate computer monitors and television screens based on QLED technology. They also add nuance to the light of some LED lamps, and biochemists and doctors use them to map biological tissue.

Quantum dots are thus bringing the greatest benefit to humankind. Researchers believe that in the future they could contribute to flexible electronics, tiny sensors, thinner solar cells and encrypted quantum communication – so we have just started exploring the potential of these tiny particles.

一般来说，胶体纳米晶是尺度在1-100nm的晶体以亚稳态的形式存在于溶液中的片段。由于其物理尺寸与许多性质的临界尺寸相近、可观的表面原子比等特点，胶体纳米晶的诸多性能都呈现出尺寸相关的独特现象[1]。传统意义上来说，胶体纳米晶主要分为贵金属胶体纳米晶与半导体胶体纳米晶。根据经典的量子限域效应，当半导体胶体纳米晶的几何半径小于其体相材料的激子波尔半径时，价带和导带的能级会呈现离散分布形式，此时纳米晶的性质变得与尺寸相关。于是，经典的研究将半径尺寸小于或接近激子波尔半径的半导体纳米晶称之为量子点。

图1 量子点的结构（表面与核）[2]

量子点领域蓬勃发展的基础是量子点合成化学：应用现代化学的合成方法和思想，为整个领域提供了结构多样、性能丰富的高质量材料。

得益于Brus教授卓越的领导才能和Bell实验室优异的合作氛围，胶体量子点合成化学的主要进展也始于Bell实验室。1986年，Louis E. Brus和当时的助手Paul Alivisatos和Michal Steierwald开始了胶体量子点的金属有机化学合成。1988年Moungi G. Bawendi加入到团队中。后来，Paul Alivisatos和Moungi G. Bawendi分别成为独立PI，加入加州大学伯克利分校和麻省理工学院，发起了或许是量子点研究领域最著名的两个课题组，为领域培养了诸多的人才。

量子点合成化学在1990年到1993年之间取得了一次突破，出现了一种 “金属有机-配位溶剂-高温”合成路线。这个方法发明于Bell实验室，成熟于Moungi G. Bawendi在MIT的课题组[3]。它以二甲基镉作为镉源，在高温（300摄氏度左右）、有机配位溶剂中合成高质量的硒化镉量子点。该方法对于整个量子点领域的研究都具有里程碑式意义。Moungi G. Bawendi也因此分享了诺贝尔奖！但由于该合成路线借鉴于“金属有机气相沉积”方法，使用了高毒性、具有爆炸性的原料——二甲基镉，不利于大规模推广。

这个局面在2000年左右被中国学者彭笑刚教授所突破。彭笑刚在1994年加入Paul Alivisatos课题组从事博士后，并在1999年加入阿肯色大学化学系开始独立研究。基于对反应机理的深刻认识，彭笑刚课题组以稳定易得的氧化物或羧酸盐为前体，开发出一种基于安全无毒的非配位溶剂的“绿色”合成路线[4,5]。新合成路线的发展使得量子点的合成逐渐走向全世界的实验，并在工业界得到推广。

与此同时，量子点的生长机理、核壳结构工程和表面配体化学等基础科学问题也被化学家们广泛地探索。这些基础研究的进展使得高质量的量子点从II-IV族CdSe量子点逐步扩大到其它种类半导体化合物，如PbS量子点、InP量子点、CuInS2量子点等。2015年，钙钛矿量子点的出现突破了上述量子点需要高温合成的限制。利用钙钛矿的离子特性带来的溶解度差异，可以在聚合物基质中室温再沉淀或者原位制备量子点，给光学应用带来了新的发展机遇。

得益于合成化学的进展，量子点这个材料家族还在不断地壮大。量子点的形貌、结构调控手段日趋丰富，具有特异性能的功能单元不断产生。

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。

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。

2022年——Carolyn R. Bertozzi，Morten Meldal及K. Barry Sharpless（再次获得化学奖，2001年首次获奖）获奖，以表彰他们在“为点击化学和生物正交化学的发展”做出了突出的贡献。

2021年——Benjamin List 和 David W.C. MacMillan获奖，以表彰他们在 “不对称有机催化”做出了突出贡献。

2020年——法国和美国科学家Emmanuelle Charpentier、Jennifer A. Doudna获奖，以表彰她们“开发出一种基因组编辑方法”。

2019年——美国和日本3位科学家 John B Goodenough、M. Stanley Whittlingham、Akira Yoshino获奖，获奖理由是“在锂离子电池的发展方面作出的贡献”。

2018年——美国科学家Frances H. Arnoid获奖，获奖理由是“研究酶的定向进化”；另外两位获奖者是美国的George P. Smith和英国的Sir Gregory P. Winter，获奖理由是“研究缩氨酸和抗体的噬菌体展示技术”。

2017年——瑞士、美国和英国3位科学家Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson获奖，获奖理由是“研发出冷冻电镜，用于溶液中生物分子结构的高分辨率测定”。

2016年——法国、美国、荷兰3位科学家Jean-Pierre Sauvage、J. Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa获奖，获奖理由是“分子机器的设计与合成”。

2015年——瑞典、美国、土耳其3位科学家Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar获奖，获奖理由是“DNA修复的机制研究”。

——从1901年到2022年，诺贝尔化学奖共颁发了114次。未颁发的8年分别是1916、1917、1919、1924、1933、1940、1941和1942年。

——114次颁奖中，63次为单人获奖，25次为2人共享，26次为3人共享。

——从1901年至2022年，共189人获奖（有188人次获奖，其中Frederick Sanger及K. Barry Sharpless获得2次化学奖）。

——最年轻的获奖者是法国科学家Frédéric Joliot，1935年因“合成新的放射性元素”与妻子Irène Joliot-Curie一起获奖，时年35岁。

——最年长的获奖者是美国科学家John B. Goodenough，2019年因“在锂离子电池的发展方面作出的贡献”获奖，时年97岁。他也是诺奖得主中获奖时最年长的一位。

——189位诺贝尔化学奖得主中，有8位是女性。分别是1911年的玛丽·居里（玛丽·居里另外还获得1903年的物理学奖）、1935年的Irène Joliot-Curie、1964年的Dorothy Crowfoot Hodgkin、2009年的Ada Yonath、2018年的Frances H. Arnold、2020年的Emmanuelle Charpentier以及2020年的Jennifer A. Doudna、2022年的Carolyn R. Bertozzi。

——Frederick SangerK. Barry Sharpless获得两次诺贝尔化学奖的人。

——诺贝尔化学奖获得者家族：居里家族是最成功的“诺贝尔奖家族”。玛丽·居里和皮埃尔·居里夫妻获得了 1903 年的诺贝尔物理学奖；玛丽·居里本人获得了1911年诺贝尔化学奖；玛丽·居里和皮埃尔·居里的长女艾琳·约里奥-居里与她的丈夫弗雷德里克·约里奥一起获得了 1935 年的诺贝尔化学奖；小女儿ève Curie 曾在联合国儿童基金会工作，并嫁给了Henry R. Labouisse。1965年，Henry R. Labouisse代表联合国儿童基金会获得诺贝尔和平奖。

参考文献：

[1] Peng. An Essay on Synthetic Chemistry of Colloidal Nanocrystals. Nano Research. 2009, 2, 425-447.

[2] R. Kagan, E. Lifshitz, E. H. Sargent, et al. Building devices from colloidal quantum dots. Science. 2016, 353(6302), aac5523.

[3] Murray, C. B., Norris, D. J., Bawendi, M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. J. Am. Chem. Soc. 115, 8706-8715 (1993).

[4] Peng, Z. A., Peng, X. Formation of high-quality CdTe, CdSe, and CdS nanocrystals using CdO as precursor.J. Am. Chem. Soc.123, 183-184 (2001).

[5] Qu, L. H.; Peng, Z. A.; Peng, X. G. Alternative routes toward high quality CdSe nanocrystals. Nano Lett. 1, 333-337, (2001).

来源：诺贝尔奖官网、赛先生、知识分子、科研大匠、知社学术圈等

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