几位学者分享：Nobel化学奖“量子点”的过去、现在和未来

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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“量子点的发现和合成”中作出的开创性贡献。

尽管有些人提前几小时就看到了上述三位科学家的名字，但今年诺贝尔化学奖的看点可不止于泄露结果这个“插曲”。比如，这次化学奖又“偏物理”成了“理综奖”了；再如，许多人不知道，巴文迪曾师从于布鲁斯，而布鲁斯与中国一家量子点科创公司有着密切的联系，伊基莫夫作为苏联时代的一位科学家，已多年未曾露面……就连三位获奖者的排序，也大有讲究。

请跟随几位化学领域学者的分享，让我们更近距离认识“量子点”和几位新晋诺奖得主。

“肯定能得诺贝尔奖，不用怀疑”

《中国科学报》：今年诺贝尔化学奖颁给量子点，出乎你的预料吗？

彭笑刚（浙江大学化学系教授、纳晶科技股份有限公司创始人）：不出乎意料，量子点获得诺贝尔奖只是时间问题。

但颁奖的角度稍有意外，“量子点发现与合成”，意味着从材料化学角度评估其科学价值。作为一种新型材料，一般要在应用上达到一定程度才会获奖。最近几年，量子点显示终端已经达到百亿规模的市场，所以这个时候获奖很正常。

庞代文（美国医学与生物工程院院士、南开大学化学学院教授）：就像我上课时跟同学说的这句话：肯定能得诺贝尔奖，不用怀疑。

为什么不用怀疑呢？原理是新的，材料是新的，性质是独一无二的，这是目前为止人类发现的光学性质最好的发光材料，现在又有这么好的应用，包括我们自己团队的技术已经有200多万台的彩电使用。

林世贤（浙江大学生命科学研究院研究员）：通常来说量子点这样一个尺度在1~10纳米的球形材料极不稳定，这就需要化学家把这个“小球”做到特定尺度，同时将其非常稳定地合成出来。本次化学奖的贡献就在于此，我认为颁发化学奖合乎情理。我个人既为三位科学家感到高兴，也隐约觉得其他从事纳米材料研究的科学家再次获得诺奖的机会就小了。

师徒同获奖，排序有千秋

《中国科学报》：你认识三位获奖者吗？对他们有哪些了解？

林世贤：三位诺奖得主中，巴文迪教授曾是布鲁斯教授的学生。这次师生同时拿到诺贝尔化学奖，在诺奖历史上也算是一桩美谈。

彭笑刚：三位科学家我都知道。Brus是我博士后导师的博士后导师，Bawendi是我导师的师弟，跟两位科学家见面较多，他们对科学研究都非常有品位，是很好的学者。做科学的兴趣都瞄准解决一些对人类发展具有重大意义的问题，对于名利不是那么在意。

2012年，Brus受聘担任中国科学院爱因斯坦讲席教授。当时他以私人身份访问杭州，和我在一起待了两天。那时，我刚从美国回国创业不久，建立纳晶科技公司，那段时期我们的处境比较艰难，他非常支持我们的创业，他相信量子点具有相当不错的潜力，主动同意做我们的科学顾问，不计报酬，即便有很多困难，这么多年一直在支持我们。

第三位获奖者Ekimov是一位苏联学者，这次很多人可能不会想到他会得奖，因为过去这些年他在美国实际上没有获得很好的研究职位，他的成绩在美国学界也没有得到重视，但他是量子点的最早发现者之一。

张翼（中南大学化学化工学院教授）：很多人对伊基莫夫不太熟悉，他的工作是四十多年前做出来的，几乎在相关国际会议上没有见过他的身影，我也只在文献上能“遇到”他，我猜测他目前已经是退休状态了。

我想这正体现了诺奖鼓励原创的特点。伊基莫夫可能不是这个领域做得最好的，他甚至可能没有多少顶刊文章，他在学术界的影响在今天可能已经不大了，但他是这个领域的奠基人之一。诺奖就在鼓励那些默默无闻地做出原创性成果的人。

《中国科学报》：你如何看待三位获奖者的排名顺序？

庞代文：严格来说，苏联科学家是最早发现量子点的，1981年他在玻璃中发现了量子点，发表的时候用的是俄文。美国科学家则是1983年在胶体溶液中发现的量子点效应。但后来美国科学家的发展更好，苏联科学家后来去了德国，最后又到了美国，科研几乎搁置了。

钟海政（北京理工大学材料学院教授）：巴文迪课题组有个重要贡献，就是冒着生命危险，利用物理真空方法的二甲基镉和双（三甲基硅基）硒作为反应源，在300℃高温下实现了单分散量子点的合成（尺寸分布小于5%），展示了纳米材料化学合成的精确控制，实现了非常窄的发射光谱。这也是他排在第一位的原因——巴文迪报道的方法，开辟了量子点合成化学研究方向。

胶体量子点的研究起始于路易斯·布鲁斯教授，1982年他在贝尔实验室工作的时候，偶然之间发现水溶液中纳米颗粒的颜色变化，阐述了胶体量子点概念，发现了纳米颗粒量子效应。

伊基莫夫发现在晶体尺寸不同时会带来不同颜色的掺杂玻璃，推动了量子点概念诞生，同时发展了量子点的理论研究。

我猜测，排名的先后虽然没体现时间原创性，但应该考虑了对化学领域的贡献。我从事量子点研究20年，与这些学者有过一些近距离接触，这次获奖也使得自己更深刻地体验了原创科学的诞生和发展，未来希望更多分享给中国的青少年，希望中国的未来科学家也能做出开辟领域的诺奖级别原创贡献，为人类社会的发展作贡献。

“没有任何材料能与它媲美”

《中国科学报》：什么是量子点？量子点和“量子计算机”“量子效应”有关系吗？

钟海政：量子点又称半导体纳米晶，是非常有代表性的纳米材料体系，几乎大部分材料都可以用纳米晶技术方法来制备，比如最近较热的钙钛矿。

庞代文：按照标准定义，就是具有电子态量子限域效应，表现出尺寸依赖性质的晶态纳米颗粒。它是“准零维”的，可以把它当成一个没有质量、没有大小的点，百分之八九十是半导体荧光纳米单晶颗粒。

彭笑刚：半导体对于人类生活的重要性大家都了解，量子点作为一类全新材料，实际上是把半导体纳米化，也就是纳米尺度的单晶，使它们不但能够表现出半导体本身的一些特性，同时每一个量子点又是一个量子系统，表现出不同于传统半导体的独特性质，尤其适合于操控光子，可能影响所有与发光和光电应用相关的产业。比如基于近年来量子点材料合成的发展，全球量子点显示终端产品已经百亿规模、走进了千家万户。

林世贤：化学中的“量子点”跟物理中的“量子”概念是有所区分的。在物理学中，量子是“最小不可分割的基本单位”；在化学上，量子点的量子指尺度在1~10纳米的“小球”的量子限域效应。在这个尺度下，它们会有一些特殊的性质，比如不同尺度的量子点的发光波长不同，其所呈现的颜色也不同。这个量子限域效应有着重要意义，因此借用了物理学中的量子来命名，故称其为“量子点”。比起其他发光材料，比如染料，量子点的重要特点是它发光的强度高、寿命长、波长可调，这些性质使它大放异彩。

《中国科学报》：量子点研究目前主要有哪些方面的应用？

庞代文：我们现在看到的最有显示度的应用是在显示方面，它的色域很宽，可以非常真实地反映自然的颜色；与常规电视显示相比，节能性可达30%左右；而且它可以大规模生产，取代珍贵程度“堪比黄金”的稀土。现在全世界仅显示一个领域的需求量就在几百吨。可以想象一下，一公斤的纳米颗粒，可以包含2.6×1021个量子点，这是天文数字级别的。

在生物医学领域，它是一个特别好的成像材料，同一种材料可以做出五颜六色，可以实现实时多指标跟踪、检测和成像。它足够亮、足够稳定，只要一颗就能够跟踪病毒感染的整个过程，在生物医学里可以用不同颜色的量子点标记，了解不同参数之间的相互关联和作用。这是目前为止独一无二的材料，没有任何材料可以与之媲美。

它也可以用在照明、阳能电池、光催化和环境污染治理等领域，所以说应用前途是非常广泛的。

张翼：早期的量子点材料，多多少少都带有一定毒性，比如荧光效应很强的硫化镉、碲化镉等，但经过这些年的研究，科学家已经克服了量子点材料带毒性的问题，有非常广阔的应用空间。

比如石墨烯量子点这种碳基量子点，它不仅可以做到颗粒尺度非常小（2纳米及以下），其生物兼容性也非常好，它能够穿透人体器官的各种膜等屏障，到达人们指定的位置，是一种非常理想的、不必担心抗药性的靶向药物。不仅可用于治疗，人们甚至可以用它做诊疗一体化的材料——用一个荧光材料发现癌细胞的同时，用另一种量子点材料马上杀死它，听起来是不是很酷？

量子点材料在能源领域也有巨大应用价值。比如在提高光热转化效率方面，量子点材料也大有用武之地。从我近些年看到的文献报道来看，基本上量子点能够在几乎所有领域都有应用潜力。

想要用好不容易，中国还需“添砖加瓦”

《中国科学报》：现在量子点的研究还面临哪些困境？

彭笑刚：难题还有很多。

首先，我想更正一下，诺贝尔化学奖颁发的不是量子点，而是“量子点发现与合成”，是量子点作为一类新材料的发展过程，这其实就是这个领域最难的地方。合成的纳米晶体尺寸必须严格控制，同时让它表现出量子效应，这是一件非常难做的事情。同时，量子点影响的产业不止一个，每个产业中所需的量子点都会有或大或小的差别，因此，产业落地意味着必须为每一个应用量身定制量子点，这就使得每个应用领域所需量子点都要个性化。而这类材料在人类合成化学历史上尚无先例，如此一来它们的加工化学和器件制成等方面都会碰到一些新的挑战。

庞代文：全世界都在努力，但量子点的应用现状仍然不够广泛。要真正把它做到炉火纯青，最难的是在控制方面，包括它的长期使用的稳定性和性能的一致性。比如一台电视的使用寿命至少要达到10年，但纳米颗粒太小了，要把它放在光、热、水、氧等严酷、复杂的环境里稳定使用10年，依然是一个挑战。另外，如何把每一个纳米颗粒做到每一颗之间没有太大差别，让它们的性能都达到极致，也是一个挑战。

《中国科学报》：中国在量子点研究方面发展态势如何？

张翼：可能让人听起来觉得有点大言不惭，但我觉得国内在这方面的整体水平已经做得非常好，特别是一些头部的高校院所，至少是不落后的。包括刚才我们谈到的一些量子点的应用，我们中国科学家做出了非常好的贡献。

谢政：中国有若干世界级量子点研究专家，不过我们的新型量子点的应用还不很多，中国原创的量子点材料和应用有待引导。

庞代文：当年量子点概念刚出来的时候相关的研究非常热，全世界有几千个团队在做，发表的论文也很多，但后面发展很缓慢，因为推动应用很难。中国真正坚持做下来的也只有几个团队，我们团队从2001年做到现在已经22年，现在也证明我们的坚持没错。我们最初做生物医学领域的病毒跟踪成像，后来被产业界邀请做电视显示，现在国内有200多万台就用了我们的技术。

中国科学家的研究是在这个领域添砖加瓦，能找到很多发展的机会，把中国的产业化推上去。但这个领域的中国科学家现在并不多，所以我也一直在担心，这个领域的产业发展会大量缺乏人才。很可惜的是，国内很多研究总在追风，过了“风口”，这个领域不再热了，就没有人再做了。事实上，只有坚持下去，才能找到更多的发展机会，打好科研基础，推动产业化。

现在诺贝尔奖颁给量子点，说不定这个领域又会“火一阵”。量子点确实是目前人类发现的一个最好的材料，但要把它“伺候”好、能用上还是挺难的，“短平快”做不好。要不要追这个风？你要自己去判断。

彭笑刚：量子点是从材料化学角度获奖，揭示了学界的一个共识：量子点关键在于合成化学、加工化学的发展水平。基础研究方面，国内对于量子点研究的潜力认识仍然不够，国家层面的支持力度还不是太够。但产业界已经认识到其巨大潜力，热情投入支持量子点研究。比如纳晶科技在过去十多年里，获得了七八亿元的风险投资。

我们实验室（前十年在美国、近十四年在中国）发展的量子点绿色合成路线是目前国际学术界和产业界的基础合成路线，近年来进一步解决了量子点尺寸控制与量子限域性质之间的矛盾。在这个意义上，我们应该是走在国际前列。此外，在量子点背光源显示产业落地方面，纳晶科技公司与国内显示产业龙头企业联手，确保了在这一次显示产业升级中不落人后。浙江大学在2014年证明量子点电致发光显示可行性（2014年中国科学十大进展），企业也快速开始研发这一潜在的新一代显示技术，有望摆脱显示产业跟随者的命运。

惊现“乌龙邮件”，学者：别关注偏了

《中国科学报》：在诺贝尔化学奖评选结果发布约4个小时前，有媒体报道瑞典皇家科学院发生了误发电子邮件的“乌龙事件”，导致结果提前泄露；之后诺奖委员会虽及时澄清并照常举办发布会，但仍然造成了不大不小的“乌龙”。你对此怎么看？

林世贤：在诺奖历史上，出现泄露事件的情况是极少见的。但诺奖委员会也是人，偶尔一两次难免忙中出错，这也合乎情理。

另外，我觉得诺奖委员会的公关还是很好的，出现意外情况后，他们第一时间做了澄清，并且给出了合理的理由，我觉得澄清理由是令人信服的。

姜雪峰（华东师范大学化学与分子工程学院教授）：诺奖委员会（做好保密工作）要树立的是一种科学精神，而不是为了满足人们的猎奇心理。我们其实没必要把颁奖时间看得太重，而是要关注获奖科学家们对科学的贡献、科学精神的传递。

我们在谈论诺奖的时候也应如此，拿奖固然值得祝贺和值得尊敬，但还有千万没获得奖项证明的科技工作者，也在前仆后继做着这样那样的贡献。两天前获得诺贝尔生理学或医学奖的卡里科，她在漫长的等待中没有得到肯定，但她依然艰苦奋斗。她传递的不只是一种科学精神，更是一种突破人生瓶颈、追寻心中所爱的精神。我想这是我们关注诺奖应该去关注的方面。

什么是量子点？

    如今许多人在家用QLED（量子点发光二极管）电视观看色彩逼真的影片，其中的量子点就是刚刚公布的诺贝尔化学奖研究成果。量子点这种纳米级材料不但为液晶显示技术带来质的飞跃，它在光学等方面的特性也为研究人员在生物化学、医药等领域“探照”出更多潜在的应用路径。

    量子点是一类非常小的纳米尺度颗粒，也被称为半导体纳米晶。一个量子点通常只由数千原子组成，如果要形象描述它的“小”，可以想象一个量子点与一个足球的对比，正如足球与地球的对比。

    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。

    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。当物质缩小到纳米尺寸时，就会出现量子现象，如今量子点在纳米技术中非常重要。

    诺贝尔化学委员会主席 Johan Åqvist 表示：    量子点具有许多令人着迷且不寻常的特性，它们根据大小而具有不同的颜色。

    量子点为人类做出的贡献不容小觑。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。

    量子点的特殊结构和尺寸，使其内部电子运动受限，从而影响其光学性质，不同尺寸的量子点会发出不同颜色的光。科学界早就在理论上认为可以通过调整量子点的尺寸来实现相应的量子效应，但如何高效制造出质量稳定的量子点，困扰了科学界相当长一段时间。

    上世纪80年代初，两位科学家在量子点研究上取得重要突破。当时在苏联科研机构工作的阿列克谢·叶基莫夫在玻璃基质中合成了量子点，并于1981年在学术期刊上发表他的成果。美国的路易斯·布鲁斯也在胶体溶液中合成了量子点，并于1983年发表了研究成果。两位科学家基于不同的材料体系，都为量子点相关研究打下坚实基础。

    到了1993年，美国麻省理工学院的蒙吉·巴文迪在高效合成高质量量子点方面取得进一步突破。巴文迪的团队将能够形成纳米晶体的物质注入一种被加热的特殊溶剂中，并精确控制其中的饱和度，从而生成非常微小的晶体胚。团队再通过对溶剂温度的调整，最终生成了尺寸一致的量子点。这一方法相比以往更简单高效，让更多科研人员有机会探索量子点的特性和潜在应用。

    量子点相关技术发展至今，普通人可能最容易感知或接触到的应用莫过于它为液晶显示技术带来的提升。LED（发光二极管）背光光源的色彩经过量子点技术的转化，能够在屏幕上实现更好的红、绿、蓝三基色，带来更广的色域，一些厂家已经在此基础上推出QLED电视。随着元宇宙、虚拟现实、增强现实等技术的发展，未来各类电子设备上大大小小的显示屏也有望在量子点技术的助力下，给人们带来更好体验。

    在更专业的层面，量子点稳定的发光特性使其成为很好的荧光标记材料，在生物监测和医学成像方面有良好应用前景，医生有望借助量子点来高效发现患者体内的肿瘤组织。化学领域的研究人员可以利用量子点的催化特性来驱动化学反应。随着相关技术进一步成熟，量子点有望在更广阔领域发挥作用，比如在柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信等领域。

    正如诺贝尔奖官网介绍材料中所说：“我们才刚刚开始探索量子点的潜力。”

    量子点是一种微小的纳米粒子，颗粒大小决定了它们的性质。在古老的彩色玻璃中，这些纳米粒子就展现出独特魅力。此次获奖的三位科学家，在上世纪80年代初到90年代不懈努力探索，最终掌握了生产完美量子点的方法，为纳米技术的发展应用播下了“彩色的种子”。

    如今，量子点正在造福人类——这些纳米颗粒不仅通过电视屏幕和LED灯为人们照亮丰富多彩的世界，还以清晰的光线为外科医生照亮肿瘤组织。科学家相信，未来量子点有望在柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密的量子通信，以及红外探测成像、光催化等领域一显身手。而有一点是肯定的——对于令人惊奇的量子现象，还有很多需要了解。

古老彩色玻璃中蕴藏量子秘密

    量子点由几千个原子组成，又称“人造原子”。如果要形象描述它的“小”，可以想象一个量子点与一个足球的对比，正如一个足球与地球的对比。当物质的尺寸达到纳米量级时，就会出现一些奇异的性质，即量子效应。在这个微观世界中，粒子的大小决定了它的颜色。

    早在千百年前，当人类生产彩色玻璃时就发现，往玻璃中添加金、银、镉等物质，在不同温度下会显现出不同的色彩。到了近代，物理学家发现，添加一种物质就能产生不同颜色的玻璃，决定颜色的是加热温度和冷却方式。

作为探索纳米世界的先驱，获得今年诺贝尔化学奖的三位科学家为量子点在纳米领域的广泛应用奠定了基础。

    上世纪70年代末，叶基莫夫刚刚博士毕业，在瓦维洛夫国家光学研究所工作。在研究彩色玻璃时，他发现玻璃样品中的纳米颗粒从约2纳米到30纳米不等，且尺寸越小，颜色越靠近蓝色，尺寸越大越接近红色。由于熟悉量子力学，他很快意识到这是与尺寸相关的量子效应，并于1981年发表了相关论文。

    1983年，正在美国贝尔实验室工作的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。这相当于发现了元素周期表的第三个维度：决定元素性质的，除了电子层数和外层电子数，在纳米尺度上的尺寸也很重要。

    不过，当时合成的量子点存在很多缺陷，无法应用推广，巴文迪的工作则彻底改变了量子点的合成方法。1988年，他在布鲁斯的实验室开始博士后工作，锲而不舍地尝试提升量子点的合成质量。后来，他成为美国麻省理工学院的研究负责人，仍在继续探索。终于，1993年，他用简单的方法合成出了几乎完美的量子点纳米晶体，并显示出了独特的量子效应。此后，纳米技术和量子点性质的研究成为一大热门。

照亮LED，也照亮肿瘤组织

    有“理综奖”之称的诺贝尔化学奖，今年成了“化学家对于物理学家发现的完美诠释”。

    中国科学院半导体所研究员姬扬表示，量子点的工作在基础研究和产业应用中都非常重要。 比如，在很多LED屏幕中，就利用量子点的发光特性来调节LED所呈现出的颜色，使之更加丰富而柔美。又如，在生物化学和医学领域，量子点与生物分子相连后，其发光特性可帮助科学家绘制出细胞和器官的图像。此外，医生也开始研究用量子点追踪体内肿瘤组织。而化学家则利用其催化特性来驱动化学反应。

    据悉，索尼、三星、TCL多年前就相继推出了搭载量子点的背光液晶电视，2022年全球量子点电视机销量超过1200万台。据美国2019年的一项统计，全球已有超过120家公司在从事量子点技术的开发和应用研究。

    华东师范大学化学与分子工程学院教授姜雪峰认为，量子点更大的应用潜力可能在于各种微型器件中。“当人们对芯片的算力要求越来越高、信息存储量越来越大，就需要更小的芯片和更高密度的存储设备。”他说，当材料的尺寸小到纳米尺度，就会产生隧穿效应，而对量子点技术的掌握，则使人们可以在一定程度上避开隧穿效应，制造出更为尖端的微电子设备。

虽为色盲患者，却为纳米世界增色

    今年的诺贝尔化学奖虽然没有出现女性科学家的身影，却出现了师生同获诺奖的佳话。如前文提到，巴文迪曾是布鲁斯的博士后。

    昨天清晨，巴文迪接到了来自斯德哥尔摩的电话，得知与导师布鲁斯一同获奖后非常高兴。在高兴之余，他仍记挂着上午9点要给学生上课。然而，更令人惊讶的是，布鲁斯竟是一位色盲患者。很难想象，研究光的学者竟无法靠自己的眼睛辨别颜色。据布鲁斯的一位博士生透露，布鲁斯曾表示：“虽然我看颜色和别人看得不一样，但波长会告诉我理论上的颜色！”