幾位學者分享：Nobel化學獎“量子點”的過去、現在和未來

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10月4日，2023年諾貝爾化學獎授予美國麻省理工學院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、哥倫比亞大學教授路易斯·E·布魯斯(Louis E. Brus)和俄羅斯科學家阿列克謝·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)，以表彰他們在“量子點的發現和合成”中作出的開創性貢獻。

盡管有些人提前幾小時就看到了上述三位科學家的名字，但今年諾貝爾化學獎的看點可不止于泄露結果這個“插曲”。比如，這次化學獎又“偏物理”成了“理綜獎”了；再如，許多人不知道，巴文迪曾師從于布魯斯，而布魯斯與中國一家量子點科創公司有著密切的聯系，伊基莫夫作為蘇聯時代的一位科學家，已多年未曾露面……就連三位獲獎者的排序，也大有講究。

請跟隨幾位化學領域學者的分享，讓我們更近距離認識“量子點”和幾位新晉諾獎得主。

“肯定能得諾貝爾獎，不用懷疑”

《中國科學報》：今年諾貝爾化學獎頒給量子點，出乎你的預料嗎？

彭笑剛（浙江大學化學系教授、納晶科技股份有限公司創始人）：不出乎意料，量子點獲得諾貝爾獎只是時間問題。

但頒獎的角度稍有意外，“量子點發現與合成”，意味著從材料化學角度評估其科學價值。作為一種新型材料，一般要在應用上達到一定程度才會獲獎。最近幾年，量子點顯示終端已經達到百億規模的市場，所以這個時候獲獎很正常。

龐代文（美國醫學與生物工程院院士、南開大學化學學院教授）：就像我上課時跟同學說的這句話：肯定能得諾貝爾獎，不用懷疑。

為什么不用懷疑呢？原理是新的，材料是新的，性質是獨一無二的，這是目前為止人類發現的光學性質最好的發光材料，現在又有這么好的應用，包括我們自己團隊的技術已經有200多萬臺的彩電使用。

林世賢（浙江大學生命科學研究院研究員）：通常來說量子點這樣一個尺度在1~10納米的球形材料極不穩定，這就需要化學家把這個“小球”做到特定尺度，同時將其非常穩定地合成出來。本次化學獎的貢獻就在于此，我認為頒發化學獎合乎情理。我個人既為三位科學家感到高興，也隱約覺得其他從事納米材料研究的科學家再次獲得諾獎的機會就小了。

師徒同獲獎，排序有千秋

《中國科學報》：你認識三位獲獎者嗎？對他們有哪些了解？

林世賢：三位諾獎得主中，巴文迪教授曾是布魯斯教授的學生。這次師生同時拿到諾貝爾化學獎，在諾獎歷史上也算是一樁美談。

彭笑剛：三位科學家我都知道。Brus是我博士后導師的博士后導師，Bawendi是我導師的師弟，跟兩位科學家見面較多，他們對科學研究都非常有品位，是很好的學者。做科學的興趣都瞄準解決一些對人類發展具有重大意義的問題，對于名利不是那么在意。

2012年，Brus受聘擔任中國科學院愛因斯坦講席教授。當時他以私人身份訪問杭州，和我在一起待了兩天。那時，我剛從美國回國創業不久，建立納晶科技公司，那段時期我們的處境比較艱難，他非常支持我們的創業，他相信量子點具有相當不錯的潛力，主動同意做我們的科學顧問，不計報酬，即便有很多困難，這么多年一直在支持我們。

第三位獲獎者Ekimov是一位蘇聯學者，這次很多人可能不會想到他會得獎，因為過去這些年他在美國實際上沒有獲得很好的研究職位，他的成績在美國學界也沒有得到重視，但他是量子點的最早發現者之一。

張翼（中南大學化學化工學院教授）：很多人對伊基莫夫不太熟悉，他的工作是四十多年前做出來的，幾乎在相關國際會議上沒有見過他的身影，我也只在文獻上能“遇到”他，我猜測他目前已經是退休狀態了。

我想這正體現了諾獎鼓勵原創的特點。伊基莫夫可能不是這個領域做得最好的，他甚至可能沒有多少頂刊文章，他在學術界的影響在今天可能已經不大了，但他是這個領域的奠基人之一。諾獎就在鼓勵那些默默無聞地做出原創性成果的人。

《中國科學報》：你如何看待三位獲獎者的排名順序？

龐代文：嚴格來說，蘇聯科學家是最早發現量子點的，1981年他在玻璃中發現了量子點，發表的時候用的是俄文。美國科學家則是1983年在膠體溶液中發現的量子點效應。但后來美國科學家的發展更好，蘇聯科學家后來去了德國，最后又到了美國，科研幾乎擱置了。

鐘海政（北京理工大學材料學院教授）：巴文迪課題組有個重要貢獻，就是冒著生命危險，利用物理真空方法的二甲基鎘和雙（三甲基硅基）硒作為反應源，在300℃高溫下實現了單分散量子點的合成（尺寸分布小于5%），展示了納米材料化學合成的精確控制，實現了非常窄的發射光譜。這也是他排在第一位的原因——巴文迪報道的方法，開辟了量子點合成化學研究方向。

膠體量子點的研究起始于路易斯·布魯斯教授，1982年他在貝爾實驗室工作的時候，偶然之間發現水溶液中納米顆粒的顏色變化，闡述了膠體量子點概念，發現了納米顆粒量子效應。

伊基莫夫發現在晶體尺寸不同時會帶來不同顏色的摻雜玻璃，推動了量子點概念誕生，同時發展了量子點的理論研究。

我猜測，排名的先后雖然沒體現時間原創性，但應該考慮了對化學領域的貢獻。我從事量子點研究20年，與這些學者有過一些近距離接觸，這次獲獎也使得自己更深刻地體驗了原創科學的誕生和發展，未來希望更多分享給中國的青少年，希望中國的未來科學家也能做出開辟領域的諾獎級別原創貢獻，為人類社會的發展作貢獻。

“沒有任何材料能與它媲美”

《中國科學報》：什么是量子點？量子點和“量子計算機”“量子效應”有關系嗎？

鐘海政：量子點又稱半導體納米晶，是非常有代表性的納米材料體系，幾乎大部分材料都可以用納米晶技術方法來制備，比如最近較熱的鈣鈦礦。

龐代文：按照標準定義，就是具有電子態量子限域效應，表現出尺寸依賴性質的晶態納米顆粒。它是“準零維”的，可以把它當成一個沒有質量、沒有大小的點，百分之八九十是半導體熒光納米單晶顆粒。

彭笑剛：半導體對于人類生活的重要性大家都了解，量子點作為一類全新材料，實際上是把半導體納米化，也就是納米尺度的單晶，使它們不但能夠表現出半導體本身的一些特性，同時每一個量子點又是一個量子系統，表現出不同于傳統半導體的獨特性質，尤其適合于操控光子，可能影響所有與發光和光電應用相關的產業。比如基于近年來量子點材料合成的發展，全球量子點顯示終端產品已經百億規模、走進了千家萬戶。

林世賢：化學中的“量子點”跟物理中的“量子”概念是有所區分的。在物理學中，量子是“最小不可分割的基本單位”；在化學上，量子點的量子指尺度在1~10納米的“小球”的量子限域效應。在這個尺度下，它們會有一些特殊的性質，比如不同尺度的量子點的發光波長不同，其所呈現的顏色也不同。這個量子限域效應有著重要意義，因此借用了物理學中的量子來命名，故稱其為“量子點”。比起其他發光材料，比如染料，量子點的重要特點是它發光的強度高、壽命長、波長可調，這些性質使它大放異彩。

《中國科學報》：量子點研究目前主要有哪些方面的應用？

龐代文：我們現在看到的最有顯示度的應用是在顯示方面，它的色域很寬，可以非常真實地反映自然的顏色；與常規電視顯示相比，節能性可達30%左右；而且它可以大規模生產，取代珍貴程度“堪比黃金”的稀土。現在全世界僅顯示一個領域的需求量就在幾百噸。可以想象一下，一公斤的納米顆粒，可以包含2.6×1021個量子點，這是天文數字級別的。

在生物醫學領域，它是一個特別好的成像材料，同一種材料可以做出五顏六色，可以實現實時多指標跟蹤、檢測和成像。它足夠亮、足夠穩定，只要一顆就能夠跟蹤病毒感染的整個過程，在生物醫學里可以用不同顏色的量子點標記，了解不同參數之間的相互關聯和作用。這是目前為止獨一無二的材料，沒有任何材料可以與之媲美。

它也可以用在照明、陽能電池、光催化和環境污染治理等領域，所以說應用前途是非常廣泛的。

張翼：早期的量子點材料，多多少少都帶有一定毒性，比如熒光效應很強的硫化鎘、碲化鎘等，但經過這些年的研究，科學家已經克服了量子點材料帶毒性的問題，有非常廣闊的應用空間。

比如石墨烯量子點這種碳基量子點，它不僅可以做到顆粒尺度非常小（2納米及以下），其生物兼容性也非常好，它能夠穿透人體器官的各種膜等屏障，到達人們指定的位置，是一種非常理想的、不必擔心抗藥性的靶向藥物。不僅可用于治療，人們甚至可以用它做診療一體化的材料——用一個熒光材料發現癌細胞的同時，用另一種量子點材料馬上殺死它，聽起來是不是很酷？

量子點材料在能源領域也有巨大應用價值。比如在提高光熱轉化效率方面，量子點材料也大有用武之地。從我近些年看到的文獻報道來看，基本上量子點能夠在幾乎所有領域都有應用潛力。

想要用好不容易，中國還需“添磚加瓦”

《中國科學報》：現在量子點的研究還面臨哪些困境？

彭笑剛：難題還有很多。

首先，我想更正一下，諾貝爾化學獎頒發的不是量子點，而是“量子點發現與合成”，是量子點作為一類新材料的發展過程，這其實就是這個領域最難的地方。合成的納米晶體尺寸必須嚴格控制，同時讓它表現出量子效應，這是一件非常難做的事情。同時，量子點影響的產業不止一個，每個產業中所需的量子點都會有或大或小的差別，因此，產業落地意味著必須為每一個應用量身定制量子點，這就使得每個應用領域所需量子點都要個性化。而這類材料在人類合成化學歷史上尚無先例，如此一來它們的加工化學和器件制成等方面都會碰到一些新的挑戰。

龐代文：全世界都在努力，但量子點的應用現狀仍然不夠廣泛。要真正把它做到爐火純青，最難的是在控制方面，包括它的長期使用的穩定性和性能的一致性。比如一臺電視的使用壽命至少要達到10年，但納米顆粒太小了，要把它放在光、熱、水、氧等嚴酷、復雜的環境里穩定使用10年，依然是一個挑戰。另外，如何把每一個納米顆粒做到每一顆之間沒有太大差別，讓它們的性能都達到極致，也是一個挑戰。

《中國科學報》：中國在量子點研究方面發展態勢如何？

張翼：可能讓人聽起來覺得有點大言不慚，但我覺得國內在這方面的整體水平已經做得非常好，特別是一些頭部的高校院所，至少是不落后的。包括剛才我們談到的一些量子點的應用，我們中國科學家做出了非常好的貢獻。

謝政：中國有若干世界級量子點研究專家，不過我們的新型量子點的應用還不很多，中國原創的量子點材料和應用有待引導。

龐代文：當年量子點概念剛出來的時候相關的研究非常熱，全世界有幾千個團隊在做，發表的論文也很多，但后面發展很緩慢，因為推動應用很難。中國真正堅持做下來的也只有幾個團隊，我們團隊從2001年做到現在已經22年，現在也證明我們的堅持沒錯。我們最初做生物醫學領域的病毒跟蹤成像，后來被產業界邀請做電視顯示，現在國內有200多萬臺就用了我們的技術。

中國科學家的研究是在這個領域添磚加瓦，能找到很多發展的機會，把中國的產業化推上去。但這個領域的中國科學家現在并不多，所以我也一直在擔心，這個領域的產業發展會大量缺乏人才。很可惜的是，國內很多研究總在追風，過了“風口”，這個領域不再熱了，就沒有人再做了。事實上，只有堅持下去，才能找到更多的發展機會，打好科研基礎，推動產業化。

現在諾貝爾獎頒給量子點，說不定這個領域又會“火一陣”。量子點確實是目前人類發現的一個最好的材料，但要把它“伺候”好、能用上還是挺難的，“短平快”做不好。要不要追這個風？你要自己去判斷。

彭笑剛：量子點是從材料化學角度獲獎，揭示了學界的一個共識：量子點關鍵在于合成化學、加工化學的發展水平。基礎研究方面，國內對于量子點研究的潛力認識仍然不夠，國家層面的支持力度還不是太夠。但產業界已經認識到其巨大潛力，熱情投入支持量子點研究。比如納晶科技在過去十多年里，獲得了七八億元的風險投資。

我們實驗室（前十年在美國、近十四年在中國）發展的量子點綠色合成路線是目前國際學術界和產業界的基礎合成路線，近年來進一步解決了量子點尺寸控制與量子限域性質之間的矛盾。在這個意義上，我們應該是走在國際前列。此外，在量子點背光源顯示產業落地方面，納晶科技公司與國內顯示產業龍頭企業聯手，確保了在這一次顯示產業升級中不落人后。浙江大學在2014年證明量子點電致發光顯示可行性（2014年中國科學十大進展），企業也快速開始研發這一潛在的新一代顯示技術，有望擺脫顯示產業跟隨者的命運。

驚現“烏龍郵件”，學者：別關注偏了

《中國科學報》：在諾貝爾化學獎評選結果發布約4個小時前，有媒體報道瑞典皇家科學院發生了誤發電子郵件的“烏龍事件”，導致結果提前泄露；之后諾獎委員會雖及時澄清并照常舉辦發布會，但仍然造成了不大不小的“烏龍”。你對此怎么看？

林世賢：在諾獎歷史上，出現泄露事件的情況是極少見的。但諾獎委員會也是人，偶爾一兩次難免忙中出錯，這也合乎情理。

另外，我覺得諾獎委員會的公關還是很好的，出現意外情況后，他們第一時間做了澄清，并且給出了合理的理由，我覺得澄清理由是令人信服的。

姜雪峰（華東師范大學化學與分子工程學院教授）：諾獎委員會（做好保密工作）要樹立的是一種科學精神，而不是為了滿足人們的獵奇心理。我們其實沒必要把頒獎時間看得太重，而是要關注獲獎科學家們對科學的貢獻、科學精神的傳遞。

我們在談論諾獎的時候也應如此，拿獎固然值得祝賀和值得尊敬，但還有千萬沒獲得獎項證明的科技工作者，也在前仆后繼做著這樣那樣的貢獻。兩天前獲得諾貝爾生理學或醫學獎的卡里科，她在漫長的等待中沒有得到肯定，但她依然艱苦奮斗。她傳遞的不只是一種科學精神，更是一種突破人生瓶頸、追尋心中所愛的精神。我想這是我們關注諾獎應該去關注的方面。

什么是量子點？

    如今許多人在家用QLED（量子點發光二極管）電視觀看色彩逼真的影片，其中的量子點就是剛剛公布的諾貝爾化學獎研究成果。量子點這種納米級材料不但為液晶顯示技術帶來質的飛躍，它在光學等方面的特性也為研究人員在生物化學、醫藥等領域“探照”出更多潛在的應用路徑。

    量子點是一類非常小的納米尺度顆粒，也被稱為半導體納米晶。一個量子點通常只由數千原子組成，如果要形象描述它的“小”，可以想象一個量子點與一個足球的對比，正如足球與地球的對比。

    納米晶體指晶粒為納米尺寸的晶體材料，或具有晶體結構的納米顆粒，一般尺寸小于100納米。直徑小于10納米的半導體納米晶體，則通常被稱為量子點。

    這個名字，來源于其獨特的量子限域效應或者量子尺寸效應。當物質縮小到納米尺寸時，就會出現量子現象，如今量子點在納米技術中非常重要。

    諾貝爾化學委員會主席 Johan ?qvist 表示：    量子點具有許多令人著迷且不尋常的特性，它們根據大小而具有不同的顏色。

    量子點為人類做出的貢獻不容小覷。研究人員相信，未來它們可以為柔性電子產品、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密量子通信做出貢獻。

    量子點的特殊結構和尺寸，使其內部電子運動受限，從而影響其光學性質，不同尺寸的量子點會發出不同顏色的光。科學界早就在理論上認為可以通過調整量子點的尺寸來實現相應的量子效應，但如何高效制造出質量穩定的量子點，困擾了科學界相當長一段時間。

    上世紀80年代初，兩位科學家在量子點研究上取得重要突破。當時在蘇聯科研機構工作的阿列克謝·葉基莫夫在玻璃基質中合成了量子點，并于1981年在學術期刊上發表他的成果。美國的路易斯·布魯斯也在膠體溶液中合成了量子點，并于1983年發表了研究成果。兩位科學家基于不同的材料體系，都為量子點相關研究打下堅實基礎。

    到了1993年，美國麻省理工學院的蒙吉·巴文迪在高效合成高質量量子點方面取得進一步突破。巴文迪的團隊將能夠形成納米晶體的物質注入一種被加熱的特殊溶劑中，并精確控制其中的飽和度，從而生成非常微小的晶體胚。團隊再通過對溶劑溫度的調整，最終生成了尺寸一致的量子點。這一方法相比以往更簡單高效，讓更多科研人員有機會探索量子點的特性和潛在應用。

    量子點相關技術發展至今，普通人可能最容易感知或接觸到的應用莫過于它為液晶顯示技術帶來的提升。LED（發光二極管）背光光源的色彩經過量子點技術的轉化，能夠在屏幕上實現更好的紅、綠、藍三基色，帶來更廣的色域，一些廠家已經在此基礎上推出QLED電視。隨著元宇宙、虛擬現實、增強現實等技術的發展，未來各類電子設備上大大小小的顯示屏也有望在量子點技術的助力下，給人們帶來更好體驗。

    在更專業的層面，量子點穩定的發光特性使其成為很好的熒光標記材料，在生物監測和醫學成像方面有良好應用前景，醫生有望借助量子點來高效發現患者體內的腫瘤組織。化學領域的研究人員可以利用量子點的催化特性來驅動化學反應。隨著相關技術進一步成熟，量子點有望在更廣闊領域發揮作用，比如在柔性電子產品、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密量子通信等領域。

    正如諾貝爾獎官網介紹材料中所說：“我們才剛剛開始探索量子點的潛力。”

    量子點是一種微小的納米粒子，顆粒大小決定了它們的性質。在古老的彩色玻璃中，這些納米粒子就展現出獨特魅力。此次獲獎的三位科學家，在上世紀80年代初到90年代不懈努力探索，最終掌握了生產完美量子點的方法，為納米技術的發展應用播下了“彩色的種子”。

    如今，量子點正在造福人類——這些納米顆粒不僅通過電視屏幕和LED燈為人們照亮豐富多彩的世界，還以清晰的光線為外科醫生照亮腫瘤組織。科學家相信，未來量子點有望在柔性電子產品、微型傳感器、更薄的太陽能電池和加密的量子通信，以及紅外探測成像、光催化等領域一顯身手。而有一點是肯定的——對于令人驚奇的量子現象，還有很多需要了解。

古老彩色玻璃中蘊藏量子秘密

    量子點由幾千個原子組成，又稱“人造原子”。如果要形象描述它的“小”，可以想象一個量子點與一個足球的對比，正如一個足球與地球的對比。當物質的尺寸達到納米量級時，就會出現一些奇異的性質，即量子效應。在這個微觀世界中，粒子的大小決定了它的顏色。

    早在千百年前，當人類生產彩色玻璃時就發現，往玻璃中添加金、銀、鎘等物質，在不同溫度下會顯現出不同的色彩。到了近代，物理學家發現，添加一種物質就能產生不同顏色的玻璃，決定顏色的是加熱溫度和冷卻方式。

作為探索納米世界的先驅，獲得今年諾貝爾化學獎的三位科學家為量子點在納米領域的廣泛應用奠定了基礎。

    上世紀70年代末，葉基莫夫剛剛博士畢業，在瓦維洛夫國家光學研究所工作。在研究彩色玻璃時，他發現玻璃樣品中的納米顆粒從約2納米到30納米不等，且尺寸越小，顏色越靠近藍色，尺寸越大越接近紅色。由于熟悉量子力學，他很快意識到這是與尺寸相關的量子效應，并于1981年發表了相關論文。

    1983年，正在美國貝爾實驗室工作的布魯斯首次在溶液中發現了自由漂浮的粒子具備尺寸依賴性的量子效應。這相當于發現了元素周期表的第三個維度：決定元素性質的，除了電子層數和外層電子數，在納米尺度上的尺寸也很重要。

    不過，當時合成的量子點存在很多缺陷，無法應用推廣，巴文迪的工作則徹底改變了量子點的合成方法。1988年，他在布魯斯的實驗室開始博士后工作，鍥而不舍地嘗試提升量子點的合成質量。后來，他成為美國麻省理工學院的研究負責人，仍在繼續探索。終于，1993年，他用簡單的方法合成出了幾乎完美的量子點納米晶體，并顯示出了獨特的量子效應。此后，納米技術和量子點性質的研究成為一大熱門。

照亮LED，也照亮腫瘤組織

    有“理綜獎”之稱的諾貝爾化學獎，今年成了“化學家對于物理學家發現的完美詮釋”。

    中國科學院半導體所研究員姬揚表示，量子點的工作在基礎研究和產業應用中都非常重要。 比如，在很多LED屏幕中，就利用量子點的發光特性來調節LED所呈現出的顏色，使之更加豐富而柔美。又如，在生物化學和醫學領域，量子點與生物分子相連后，其發光特性可幫助科學家繪制出細胞和器官的圖像。此外，醫生也開始研究用量子點追蹤體內腫瘤組織。而化學家則利用其催化特性來驅動化學反應。

    據悉，索尼、三星、TCL多年前就相繼推出了搭載量子點的背光液晶電視，2022年全球量子點電視機銷量超過1200萬臺。據美國2019年的一項統計，全球已有超過120家公司在從事量子點技術的開發和應用研究。

    華東師范大學化學與分子工程學院教授姜雪峰認為，量子點更大的應用潛力可能在于各種微型器件中。“當人們對芯片的算力要求越來越高、信息存儲量越來越大，就需要更小的芯片和更高密度的存儲設備。”他說，當材料的尺寸小到納米尺度，就會產生隧穿效應，而對量子點技術的掌握，則使人們可以在一定程度上避開隧穿效應，制造出更為尖端的微電子設備。

雖為色盲患者，卻為納米世界增色

    今年的諾貝爾化學獎雖然沒有出現女性科學家的身影，卻出現了師生同獲諾獎的佳話。如前文提到，巴文迪曾是布魯斯的博士后。

    昨天清晨，巴文迪接到了來自斯德哥爾摩的電話，得知與導師布魯斯一同獲獎后非常高興。在高興之余，他仍記掛著上午9點要給學生上課。然而，更令人驚訝的是，布魯斯竟是一位色盲患者。很難想象，研究光的學者竟無法靠自己的眼睛辨別顏色。據布魯斯的一位博士生透露，布魯斯曾表示：“雖然我看顏色和別人看得不一樣，但波長會告訴我理論上的顏色！”