王莉萍

三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：（屏幕上，左至右）蒙吉·巴文迪、路易斯·布魯斯、阿列克謝·?；颉D/法新

2023年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，在正式發(fā)布之前，就鬧出了一個(gè)名單泄漏事件。

瑞典皇家科學(xué)院的一封標(biāo)題為“他們?yōu)榧{米技術(shù)播下了重要種子”的電子郵件，比發(fā)布會(huì)提前四個(gè)多小時(shí)不小心泄露給了媒體。

郵件標(biāo)題中的“他們”，是三位來自不同國家的研究人員。按北京時(shí)間10月4日17時(shí)45分正式揭曉的2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者名單，他們是來自法國的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美國的路易斯·布魯斯（Louis E. Brus），以及俄羅斯的阿列克謝·?；颍ˋlexey I. Ekimov）。

三位共享殊榮是因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)并合成了量子點(diǎn)。

量子點(diǎn)是半導(dǎo)體納米晶體，直徑通常為2至10納米。量子點(diǎn)與足球的大小比例，大致相當(dāng)于足球與地球的大小比例。然而，個(gè)頭雖小卻意義重大。

許多計(jì)算機(jī)顯示器、電視機(jī)、LED燈，就是使用量子點(diǎn)來創(chuàng)建每個(gè)像素的紅綠藍(lán)（RGB）顏色。此外，量子點(diǎn)還可以指導(dǎo)外科醫(yī)生切除腫瘤組織，以及在其他許多方面發(fā)揮作用。

“量子點(diǎn)具有許多引人入勝和不尋常的特性。重要的是，它們的顏色取決于它們的大小。”諾貝爾化學(xué)委員會(huì)主席約翰·奧奎斯特（Johan Aqvist）說。

小到難以置信，科學(xué)家是怎么發(fā)現(xiàn)的？

三位獲獎(jiǎng)?wù)叱晒Φ刂圃斐隽诵〉狡湫再|(zhì)由量子現(xiàn)象決定的粒子，簡單來說，改變量子點(diǎn)的尺寸大小就可以完全改變它們的性質(zhì)，如磁性能、電性能、熱性能和催化性質(zhì)。換句話說就是，量子點(diǎn)可發(fā)出的光的顏色，可以通過改變它們的尺寸來調(diào)節(jié)。

在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)發(fā)布會(huì)上，約翰·奧奎斯特通過圖片展示解釋說，每一個(gè)微小顆粒是一個(gè)微小晶體，肉眼不可見，把相同的簡單物質(zhì)組成的納米顆粒放在幾個(gè)小燒瓶內(nèi)，顯示的顏色卻不同?！斑@就是量子效應(yīng)，最小的量子點(diǎn)發(fā)出藍(lán)光，稍大一點(diǎn)則發(fā)出黃光、紅光，只因大小不同?！?/p>

“他們發(fā)現(xiàn)了制造量子點(diǎn)的可能性?！边@是78歲的阿列克謝·?；?、80歲的路易斯·布魯斯和62歲的蒙吉·巴文迪的獲獎(jiǎng)理由。

在20世紀(jì)80年代初，阿列克謝·?；虺晒Φ卦谟猩Ａе袆?chuàng)造出了依賴于尺寸的量子效應(yīng)，這種顏色來自氯化銅的納米顆粒，他將這一結(jié)果發(fā)表在前蘇聯(lián)科研期刊上。路易斯·布魯斯則證明了由于量子效應(yīng)的存在，僅僅粒子的大小就能影響玻璃的顏色。

其實(shí)，在?；蚝筒剪斔怪埃茖W(xué)家早已知道，納米顆?？赡軗碛欣碚撋系牟粚こＬ匦?。1937年，物理學(xué)家赫伯特·弗勒利希預(yù)測(cè)，納米粒子的行為有別于其他粒子。他探索了薛定諤方程的理論結(jié)果——當(dāng)粒子變得極小時(shí)，材料中電子（既是波又是粒子）的空間就會(huì)減少，于是它們被擠壓到一起。弗勒利希意識(shí)到這將導(dǎo)致材料特性發(fā)生巨大變化。

當(dāng)研究人員檢測(cè)到顆粒吸收的光發(fā)生變化時(shí)，他們就明白，從原理上講，他們現(xiàn)在研究的是一種全新的材料。

學(xué)界同行利用數(shù)學(xué)工具成功地預(yù)測(cè)許多與尺寸相關(guān)的量子效應(yīng)，但努力嘗試在現(xiàn)實(shí)世界里展示量子效應(yīng)時(shí)，科學(xué)家卻遇到重重障礙，其難度就好比雕刻一個(gè)相當(dāng)于針頭百萬分之一大小的結(jié)構(gòu)。

在很長一段歲月里，沒有人相信能制造出這么微小的顆粒。

雖然科學(xué)界在上世紀(jì)70年代有所突破，但效果不盡如人意。想要讓量子點(diǎn)發(fā)揮作用，就必須精確控制溶液中納米顆粒的大小和表面。

直到1993年，蒙吉·巴文迪徹底改變了量子點(diǎn)的化學(xué)生產(chǎn)方式，產(chǎn)生了近乎完美的粒子，而這種高質(zhì)量密切關(guān)系到其實(shí)際應(yīng)用。

現(xiàn)在，量子點(diǎn)已成為納米技術(shù)工具箱的重要組成部分，并在商業(yè)產(chǎn)品中得到應(yīng)用。其發(fā)光的特性，被用于基于QLED技術(shù)的計(jì)算機(jī)和電視，在它們的屏幕中，藍(lán)光是由榮獲2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的節(jié)能二極管產(chǎn)生的。用量子點(diǎn)改變部分藍(lán)光的顏色，將其轉(zhuǎn)換為紅色或綠色，這使得電視屏幕產(chǎn)生所需的三原色成為可能。

同樣，一些LED燈中也使用了量子點(diǎn)來調(diào)節(jié)二極管的冷光。光線可以變得像日光一樣明亮，或者像暖光燈泡發(fā)出的溫暖光芒一樣柔和。

量子點(diǎn)這一特性也被用于生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)。比如，生物化學(xué)家將量子點(diǎn)附著在生物分子上，就可以繪制細(xì)胞和器官圖譜；醫(yī)生已經(jīng)開始研究量子點(diǎn)追蹤體內(nèi)腫瘤組織的潛在用途。

研究人員相信，未來，量子點(diǎn)可以為柔性電子產(chǎn)品、微型傳感器、纖薄的太陽能電池，甚至加密量子通信作出貢獻(xiàn)。

可以說，本年度三位化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叩某删?，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的一塊重要的里程碑。

三位科學(xué)家不同人生，合寫同一故事

三位獲獎(jiǎng)?wù)撸诜ǘ砻廊齻€(gè)不同國家。

?；?945年出生于蘇聯(lián)，1999年以來，他移居美國，在美國納米晶體技術(shù)公司任首席科學(xué)家。此前，作為俄羅斯固體物理學(xué)家，埃基莫夫被單一物質(zhì)可以產(chǎn)生不同顏色的玻璃這一現(xiàn)象所吸引。

據(jù)期刊《世界科學(xué)》一篇文章介紹，埃基莫夫?qū)⑷廴诓ＡЪ訜岬?00°C-700°C，加熱時(shí)間從1小時(shí)到96小時(shí)不等。一旦玻璃冷卻并硬化后，他緊接著用X射線檢查。散射光線表明，玻璃內(nèi)部形成了微小的氯化銅晶體，而制造過程會(huì)影響這些顆粒的尺寸。在一些玻璃樣品中，晶體只有約2納米，而在其他玻璃樣品中，它們可達(dá)到30納米。

有趣的是，事實(shí)證明玻璃吸收光的情況受到晶體顆粒尺寸的影響。最大的顆粒吸收光的方式與氯化銅通常的吸收方式相同，但顆粒越小，它們吸收的光越藍(lán)。1981年，作為一名固體物理學(xué)家的?；蛟谇疤K聯(lián)的一本科學(xué)期刊上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。

彼時(shí)，遠(yuǎn)在美國的布魯斯，沒有看到埃基莫夫的論文。兩年后的1983年，布魯斯在溶液中自由漂浮的粒子中發(fā)現(xiàn)與尺寸相關(guān)的量子效應(yīng)。他和埃基莫夫得到的模式是一樣的——粒子越小，它們吸收的光就越藍(lán)。

三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者發(fā)現(xiàn)并合成了量子點(diǎn)。圖/法新

1943年出生于美國的布魯斯，自1996年起加入哥倫比亞大學(xué)，擔(dān)任化學(xué)系教授。布魯斯在高中期間對(duì)化學(xué)和物理產(chǎn)生了興趣，1969年獲得博士學(xué)位后，他以中尉身份加入華盛頓特區(qū)的美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任科學(xué)參謀。

四年后，布魯斯離開海軍，加入了著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室。后來發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)的工作，正是布魯斯在貝爾實(shí)驗(yàn)室期間完成的。令幾乎所有科學(xué)家羨慕的是，在貝爾實(shí)驗(yàn)室的23年里，布魯斯從未寫過研究計(jì)劃和預(yù)算，新想法只要跟管理層進(jìn)行非正式討論，然后就能進(jìn)行。

此次名單泄漏事件發(fā)生后，有媒體先于發(fā)布會(huì)知曉了獲獎(jiǎng)?wù)呙麊?，一家廣播電臺(tái)第一時(shí)間聯(lián)系到布魯斯，并告知他獲獎(jiǎng)的消息，布魯斯的反應(yīng)是：“如果證實(shí)這是真的，將感到非常高興?！彼€說，“我寧愿在早上晚些時(shí)候回應(yīng)。我仍然昏昏沉沉，但這顯然是一種莫大的榮幸?！?/p>

今年的第三位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主巴文迪，1988年來到布魯斯的實(shí)驗(yàn)室，開始做博士后工作。在那里，他們一直在試圖改進(jìn)量子點(diǎn)的生產(chǎn)方法，只為形成良好的納米晶體。

這個(gè)工作對(duì)巴文迪的影響很深，直到在麻省理工學(xué)院（MIT）擔(dān)任研究負(fù)責(zé)人后，他還在繼續(xù)努力生產(chǎn)更高質(zhì)量的納米顆粒。最終，巴文迪制造的納米晶體近乎完美，產(chǎn)生了獨(dú)特的量子效應(yīng)。這種生產(chǎn)方法簡單易用，因而具有革命意義——越來越多的化學(xué)家開始用納米技術(shù)作研究，并且開始研究量子點(diǎn)的獨(dú)特性質(zhì)。

1961年出生于法國的巴文迪，在麻省理工學(xué)院工作了62年。據(jù)媒體報(bào)道，巴文迪的第一次大學(xué)化學(xué)考試只考了20分?！澳菚r(shí)候我剛進(jìn)哈佛，我打算用我高中的學(xué)習(xí)方法來應(yīng)付大學(xué)學(xué)業(yè)，也就是‘完全沒有方法。”巴文迪說，“我嚇壞了，很沮喪，打算就此退學(xué)?！?/p>

在一次采訪中，巴文迪被問到“在朋友、工作、睡眠中選兩個(gè)，他會(huì)選哪個(gè)”，巴旺迪說，他這一生從沒睡飽過。巴文迪向大家傳授他不睡覺的經(jīng)驗(yàn)：“要是你喜歡工作，你就去工作。”

據(jù)媒體報(bào)道，消息公布后，巴文迪表示，他“非常驚訝、在夢(mèng)中、震驚且非常榮幸”。他在新聞發(fā)布會(huì)上通過電話表示：“我是被瑞典學(xué)院叫醒的。我睡得很香?！痹诋?dāng)天接受電話連線采訪時(shí)，巴文迪表示，他對(duì)獲獎(jiǎng)感到意外，“完全出乎意料”，為此感到榮幸。

本屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位得主實(shí)至名歸，各自在量子點(diǎn)發(fā)展的不同階段貢獻(xiàn)了自己的智慧。其實(shí)，近些年，科學(xué)研究跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉研究越來越多，通常是不同專業(yè)的研究人員廣泛開展合作，或者同一領(lǐng)域多個(gè)團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭同一個(gè)研究方向。

本年度的諾貝爾科學(xué)類獎(jiǎng)項(xiàng)也彰顯了這一趨勢(shì)，無一例外都是不止一名科學(xué)家獲得殊榮：生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)由兩位科學(xué)獎(jiǎng)分享，物理獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)則都是有三位科學(xué)家獲獎(jiǎng)。

諾貝爾獎(jiǎng)規(guī)定同一獎(jiǎng)項(xiàng)最多只能授予三名獲獎(jiǎng)?wù)?。也許，未來，諾貝爾獎(jiǎng)會(huì)與時(shí)俱進(jìn)更改一些規(guī)則。