2023年化學(xué)諾獎解讀｜量子點(diǎn)：電子“蝸居”，納米嶄露頭角
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2023年諾貝爾化學(xué)獎獲得者：美國麻省理工學(xué)院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美國哥倫比亞大學(xué)教授路易斯·E·布魯斯(Louis E. Brus)和美國納米晶體技術(shù)公司前首席科學(xué)家阿列克謝·伊基莫夫(Alexei I. Ekimov)。
量子點(diǎn)像是電子“蝸居”的監獄——納米監獄。一根頭發(fā)絲直徑的5萬(wàn)分之一約是1納米，大約是氫原子直徑的10倍。目前已經(jīng)被應用到高清顯示器和電腦屏幕上提供絢麗色彩的量子點(diǎn)，是一種納米尺度的材料、微晶體和“人造原子”。因其獨特的光學(xué)和理化特性，量子點(diǎn)還有望廣泛應用于醫學(xué)診斷、柔性電子器件、太陽(yáng)能電池、加密量子通信等領(lǐng)域。中國科學(xué)院物理研究所研究員梁文杰現任該所納米物理與器件實(shí)驗室N05單分子和納米結構電子輸運研究組組長(cháng)。10月4日晚，他向澎湃科技表示，迄今為止，人們還沒(méi)有發(fā)現天然的量子點(diǎn)。在微信朋友圈里，寫(xiě)道，“如果自然沒(méi)有展現某種性質(zhì)的材料，人類(lèi)也可以遵循自然法則自己創(chuàng )造出來(lái)，此思想之重要不亞于發(fā)明輪子。""從超晶格到量子點(diǎn)到轉角材料，基于人工能帶和電子關(guān)聯(lián)調控指導思想下的人造材料大放異彩。" 袁嵐峰是中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員，科技與戰略風(fēng)云學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)。4日晚，袁嵐峰向澎湃科技表示，除了現實(shí)生活中的應用潛力，量子點(diǎn)在理論認知層面還極具價(jià)值，它帶來(lái)的最大啟示是揭示了元素周期表的“第三維”。而它帶來(lái)的創(chuàng )新是，發(fā)現了調控材料特性的新方法。北京時(shí)間10月4日17時(shí)45分許，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2023年諾貝爾化學(xué)獎授予美國麻省理工學(xué)院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美國哥倫比亞大學(xué)教授路易斯·E·布魯斯(Louis E. Brus）和美國納米晶體技術(shù)公司前首席科學(xué)家阿列克謝·伊基莫夫(Alexei Ekimov)，以表彰他們在發(fā)現和合成量子點(diǎn)（quantum dots）方面作出的貢獻。“量子點(diǎn)可以被看作是整個(gè)納米技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑?！奔{米物理學(xué)教授、諾貝爾化學(xué)獎委員會(huì )成員、瑞典皇家科學(xué)院院士海納·林克（Heiner Linke）說(shuō)。不那么“化學(xué)”的化學(xué)獎？對于2023年諾貝爾化學(xué)獎，有人認為，量子點(diǎn)研究不是那么“純粹”的化學(xué)研究，而更近于物理學(xué)范疇。對此，梁文杰表示，這個(gè)獎項是納米科學(xué)領(lǐng)域久久期待的一個(gè)諾貝爾獎?！皩?shí)際上，如果頒在諾貝爾物理獎里面，一點(diǎn)問(wèn)題沒(méi)有。因為這是人類(lèi)調控材料性能的一個(gè)巨大突破，是人工材料領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。但是，發(fā)在化學(xué)獎里也沒(méi)問(wèn)題，因為它提供了一個(gè)實(shí)現大規模合成量子點(diǎn)的化學(xué)技術(shù)。它的確不是對化學(xué)反應或化學(xué)動(dòng)力學(xué)更深地理解，而是通過(guò)化學(xué)的方式，為納米技術(shù)的發(fā)展奠定基礎，并取得了巨大的突破?！?/span>梁文杰向澎湃科技表示，理論上的突破，發(fā)現一種量子限域效應，并給予解釋?zhuān)灰约按笠幠Ｖ苽浼夹g(shù)，使得這種量子限域效應能為人所用，他認為這是量子點(diǎn)成就的兩個(gè)亮點(diǎn)。而更大意義是激發(fā)了人們的想象力，并帶來(lái)了材料性能設計的新維度。
納米尺度的“雕刻” 和“蝸居”的電子
量子點(diǎn)通常是由數千個(gè)原子組成納米微晶體。
梁文杰解釋說(shuō)，“ ‘量子點(diǎn)’中的‘量子’是指量子效應?！c(diǎn)’是指物質(zhì)、電子或原子被限制在一個(gè)非常小的空間里，尺寸小到幾乎可以忽略不計。隨著(zhù)量子點(diǎn)尺寸或形狀的變化，它的物理化學(xué)性質(zhì)能發(fā)生明顯的改變?！?/span>
”這就好比我們一群人舉行宴會(huì )，原本在一個(gè)比較空曠的大的屋子里，大家都很自由，也很平和。但后來(lái)空間變得越來(lái)越小，漸漸人擠人，互相影響，大家的臉色會(huì )發(fā)生變化，情緒也會(huì )變得暴躁起來(lái)。尺寸決定量子點(diǎn)的性質(zhì)。因為電子就像宴會(huì )中的我們一樣?！?/span>
量子點(diǎn)能吸收光，然后輻射出另一波長(cháng)的光。即使是同一種成分，但不同尺寸的量子點(diǎn)還是會(huì )呈現出不同的顏色。雖然其化學(xué)成分、元素組成沒(méi)有改變，但納米尺度的尺寸變化，已經(jīng)改變了它們的電子排布。
理論計算作出的預測，比真正實(shí)驗發(fā)現并成功合成量子點(diǎn)早了大約40年。
1937年，物理學(xué)家赫伯特·弗洛里希（Herbert Fr?hlich）經(jīng)過(guò)計算后預言，當材料顆粒的尺寸變得極小時(shí)，既是波又是粒子的電子會(huì )被擠壓在一起，這將導致材料的特性發(fā)生巨大變化。
其他研究人員被他的洞察力深深吸引，利用數學(xué)工具預測了許多與尺寸有關(guān)的量子效應，并努力嘗試在實(shí)驗中證明這些效應。但1納米等于百萬(wàn)分之一毫米，等于十億分之一米。他們需要雕刻一個(gè)比針尖小一百萬(wàn)倍的微小結構來(lái)進(jìn)行實(shí)驗。這在當時(shí)是一個(gè)巨大的技術(shù)難題。
直到20世紀80年代初，俄羅斯和美國科學(xué)家分別獨立地創(chuàng )造出第一個(gè)量子點(diǎn)。剛剛博士畢業(yè)、在蘇聯(lián)瓦維洛夫國立光學(xué)研究所工作的阿列克謝·伊基莫夫觀(guān)察到，不同的燒制工藝制備的玻璃樣品中氯化銅微晶體的尺寸差異巨大。有的只有2納米左右，有的高達30納米。
他發(fā)現，微晶顆粒越小，吸收的光線(xiàn)就越偏藍。
量子點(diǎn)能吸收光，然后輻射出另一波長(cháng)的光。粒子尺寸越大，留給電子波的空間越大。圖：Johan Jarnestad1981年，伊基莫夫在蘇聯(lián)的一份科學(xué)雜志上發(fā)表了上述發(fā)現，并將之解釋為與納米材料尺寸有關(guān)的量子效應——量子尺寸效應。
2年后，1983年，路易斯·E·布魯斯發(fā)表了類(lèi)似的量子效應實(shí)驗結果。他對比的是4.5納米和12.5納米硫化鎘顆粒，首次證明了液體中自由漂浮的膠體粒子的量子尺寸效應。
為什么材料顆粒的吸光度稍微偏向藍色如此重要，并受到人們關(guān)注？
因為電子支配著(zhù)物質(zhì)的光學(xué)特性，也支配著(zhù)物質(zhì)的催化化學(xué)反應能或導電能力。當研究人員檢測到物質(zhì)的吸光度發(fā)生變化時(shí)，他們明白，原則上，他們看到的是一種全新的材料。
最大貢獻：元素周期表的“第三維”
除了五顏六色的光學(xué)特性和應用，袁嵐峰認為，量子點(diǎn)最大的貢獻是，“相當于‘給元素周期表增加了一個(gè)維度’，我覺(jué)得這是最好的表達了”。這是它帶來(lái)的理論認知層面的啟示。
一種化學(xué)元素的特性主要受其電子層數和外殼電子數的影響。這被認為是元素周期表的兩個(gè)維度。此前人們對元素周期表的擴展局限在二維層面，不斷尋找或創(chuàng )造新的元素。
但量子點(diǎn)材料表明，在納米層面上，尺寸的變化對材料的性質(zhì)影響很大，意味著(zhù)想要開(kāi)發(fā)新材料的科學(xué)家們又多了一個(gè)可以利用的因素。
袁嵐峰表示，“大家就把材料（設計）比喻成‘炒菜’。以前是換很多元素的組合來(lái)‘炒菜’，現在，又增加了一個(gè)維度——可以調整納米粒子的尺寸。那么可以炒的菜豈不是更多？”
梁文杰則表示，量子點(diǎn)的尺寸改變一點(diǎn)點(diǎn)，電子的“脾氣”就可能變化很多?！拔覀冊趺锤_地控制它，使它的性能越來(lái)越卓越，然后產(chǎn)生顛覆性技術(shù)，是需要進(jìn)一步探究的問(wèn)題?！?nbsp;
袁嵐峰告訴澎湃科技，“我印象很深的一件事是2020年時(shí)對話(huà)諾貝爾物理學(xué)獎獲得者安德烈·蓋姆。一開(kāi)始，我準備了一個(gè)問(wèn)題，想問(wèn)他關(guān)于石墨烯產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題，或者石墨烯的技術(shù)應用做到什么程度了？因為有很多人說(shuō)石墨烯材料缺少一個(gè)殺手級的應用。沒(méi)想到，他對這種問(wèn)題完全不感興趣。他說(shuō)，‘我獲得諾貝爾獎不是因為技術(shù)應用，而是我揭示了一個(gè)可能性。此前人們覺(jué)得材料都是三維的，但我告訴大家，有新的領(lǐng)域，有二維材料存在。你就會(huì )發(fā)現，二維材料遠遠不止石墨烯。你完全不用局限于石墨烯，你可以尋找更多二維材料，找到其他更多有用的東西?！?所以安德烈·蓋姆最大貢獻是告訴大家二維材料的存在。同樣，量子點(diǎn)最大貢獻是告訴大家元素周期表有第三個(gè)維度?！?/span>
因為在二維石墨烯材料上的開(kāi)創(chuàng )性實(shí)驗，英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·蓋姆與其學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫被授予2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
此外，袁嵐峰還提到另一個(gè)由量子尺寸效應導致的新概念：納米限域催化。在2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會(huì )上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(cháng)包信和院士帶領(lǐng)的中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所相關(guān)項目團隊獲得自然科學(xué)獎一等獎。據央視新聞報道，納米限域催化實(shí)際上是在納米尺度給催化反應體系提供一個(gè)有約束的環(huán)境，比如空間和界面的作用等，對催化劑體系的電子能態(tài)進(jìn)行調變，改變催化劑的活性和選擇性，從而實(shí)現催化性能的精準調控。
合成方法重要嗎？
什么是工程？梁文杰表示，首先需要大批量制備，并且實(shí)現一致性。
袁嵐峰解釋說(shuō)，現在做芯片有個(gè)非常重要的指標——芯片良率。如果一個(gè)方法只是理論上可行，但是產(chǎn)率特別低，那么可能成本極高，要么完全沒(méi)法用，要么成為少數人的游戲。就像在發(fā)明大規模電解鋁的方法之前，只有這種貴族、王室才能用起鋁。量子點(diǎn)要“飛入尋常百姓家”，必須提高良率。
如何合成大批特定尺寸的納米晶體？
在20世紀80年代，納米雕刻的“刀工”還不行，因此阻礙了量子點(diǎn)相關(guān)研發(fā)工作。
突破直到十年后才到來(lái)。
從1983年布魯斯發(fā)表量子尺寸效應的研究論文，5年后，1988年，蒙吉·G·巴文迪到布魯斯的實(shí)驗室開(kāi)始博士后研究。他們制備的納米晶體的質(zhì)量越來(lái)越好，但仍然不夠理想。
又過(guò)了5年，1993年，巴文迪帶領(lǐng)的研究小組終于取得了重大突破。他們利用熱注入合成法，成功合成了單分散納米粒子，為量子點(diǎn)的大規模應用開(kāi)發(fā)打開(kāi)了大門(mén)。
梁文杰介紹，熱注入合成法是把特定溶劑加熱到300攝氏度以上，然后把含有量子點(diǎn)材料的溶液注入的前述沸騰的溶劑中，由于過(guò)飽和，量子點(diǎn)材料會(huì )迅速形成晶核，就像雨云里的凝結核一樣。
熱注入合成法合成量子點(diǎn)。圖：Johan Jarnestad“但我們也不希望晶體一直長(cháng)大，否則就不是納米顆粒了。因此研究人員在溶液中又加了一些‘阻撓劑’。晶體越生長(cháng)，阻撓效應越強，最后穩定在一個(gè)化學(xué)平衡狀態(tài)，在溶液中產(chǎn)生一致性較好的納米顆粒。通過(guò)調節反應條件，無(wú)論是加表面活性劑，還是控制溫度，可以調節納米顆粒的尺寸，比如3納米、5納米、10納米?！?梁文杰說(shuō)。海納·林克在諾貝爾獎官網(wǎng)發(fā)布的文章中寫(xiě)道，現代納米科學(xué)領(lǐng)域要求對納米結構的合成進(jìn)行精確和理想的原子級調制。量子點(diǎn)的發(fā)現，以及用高精度但相對簡(jiǎn)單的化學(xué)方法合成這種材料的能力，是納米科學(xué)和納米技術(shù)發(fā)展的重要一步。2023年諾貝爾化學(xué)獎的獲獎?wù)咴诮⑦@些能力方面發(fā)揮了核心作用，并以這種方式為納米科學(xué)領(lǐng)域的成長(cháng)提供了種子。
來(lái)源：澎湃新聞
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