除了泄密烏龍，這屆諾貝爾化學獎沒“出乎意料”

　　10月4日，2023年諾貝爾化學獎授予美國麻省理工學院教授Moungi G. Bawendi、哥倫比亞大學教授Louis E. Brus和俄羅斯科學家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。

　　出人意料的是，今年的諾貝爾化學獎碰到了十分罕見的“泄密烏龍”：三位科學家的名字在瑞典皇家科學與暗公布正式之前提前幾小時就與很多公眾見面了。

　　不過，多位科學家在接受《中國科學報》采訪時表示，三人獲獎“并不出乎意料”。

　　記者從采訪中了解到，三位諾獎得主都有著許多不為人知的故事。如Bawendi曾冒著生命危險，在300℃高溫下合成單分散量子點，最終摘得諾獎桂冠。

　　Brus與很多中國科學家都有往來，是中國科學院愛因斯坦講席教授。此次，他與曾經的博士后Bawendi一起獲獎，成就了諾貝爾獎歷史上又一樁“師徒同摘桂冠”的美談。

　　作為世界上第一個發現“量子點”的人，Ekimov的學術界影響在今天則似乎已經淡出人們的視野，但他并未錯過諾貝爾獎評審委員會的視線。

　　這屆諾貝爾化學獎得主還有哪些故事？量子點究竟有何應用前景？中國相關研究態勢如何？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。

　　獲獎“只是時間問題”

　　《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）：這是意料之中的事，我從幾年前開始，每年給學生上課時就會說：量子點會獲諾獎。量子點是發光性質獨特的新材料、新發現，其發光原理也很新穎，具有非常廣闊的應用前景，例如，我們團隊率先突破的量子點光擴散板技術已用于200多萬臺彩電。

　　《中國科學報》：你對三位獲獎科學家是否有一些了解？

　　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。

　　龐代文：1980年，蘇聯科學家Ekimov在研究彩色玻璃時，第一次發現了藏匿于其中的量子點。在經歷不同的加工過程后，彩色玻璃中形成了不同尺寸的納米晶，表現出了尺寸依賴的光學性質。隨后，蘇聯的Alexander Efros提出了尺寸依賴性質的量子力學原理，進一步深化了對于量子點發光原理的認識。

　　1983年，美國的Louis Brus在研究硫化鎘溶膠納米顆粒時，意外地發現了半導體納米顆粒激子吸收隨尺寸變化。在此基礎上，詳細研究了其機理，并提出了著名的描述量子點第一激子激發態能量與其塊體帶隙、尺寸相關的量子限域能以及電子-空穴庫侖相互作用能之間關系的理論公式，發表于1983年的《化學物理雜志》（J. Chem. Phys.）上。

　　早期制備的量子點因顆粒尺寸不均一、結晶性差、晶格缺陷多等不足，限制了其進一步的研究與應用。曾在Brus課題組從事過博士后研究的Bawendi提出了具有劃時代意義的“熱注射法”。通過對溫度的控制，將成核與生長階段分開，從而制備出了尺寸均一、結晶性好的高質量量子點，使其應用成為可能。

　　今年3月份，Brus還給我發來郵件，說對我們做的工作印象非常深刻。今天我給他發郵件表示祝賀。《化學物理雜志》（J. Chem. Phys.）今年出版了一期專刊，紀念Brus第一篇有關硫化鎘膠體量子尺寸效應的研究論文發表40周年，我們也受邀報道了一個工作。

　　張翼（中南大學化學化工學院教授）：值得一提的是，不少學者對Ekimov不太熟悉，主要是因為他的工作是四十多年前做出來的，現今在相關國際會議上很難見過他的身影，只在文獻上能“遇到”他，不知道他目前已經是不是已經處于退休狀態了。從這個角度來看，這也體現了諾獎鼓勵原創的特點。Ekimov可能不是這個領域做得最好的，他甚至可能也沒有產出很多頂刊文章，他在學術界的影響在今天可能已經淡出人們的視野了，但他是這個領域的先驅者和的奠基人之一。很高興看到諾獎總是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？

　　鐘海政（北京理工大學材料學院教授）：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。

　　Bawendi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Brus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。

　　Ekimov則更早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，希望中國的未來科學家也能了解這些故事，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。

　　《中國科學報》：今年的諾貝爾化學獎是不是偏物理？

　　鐘海政：化學合成貢獻是獲獎的基石，三位獲獎者開辟了納米顆粒制備方法，在納米技術和應用中扮演著非常重要的角色，獲諾貝爾化學獎可謂實至名歸。

　　前景廣闊 挑戰猶存

　　《中國科學報》：請就量子點做個介紹。

　　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：按照中國國家標準的科學定義，即因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。通俗地說，量子點通常是指半徑小于或接近于其激子玻爾半徑的準零維半導體熒光納米晶體。“準零維”是指在空間三個維度的尺寸都要在納米級，即比頭發絲的千分之一還小。在如此狹小的空間內，電子運動受限，其能級不再連續，而是分立“量子化”的，因而其發光性質也具有量子化的特征，故被稱為量子點。

　　《中國科學報》：量子點研究目前主要有哪些方面的應用？

　　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。

　　龐代文：在生物醫學領域，它是一種很好的生物醫學成像的標記材料。它的熒光足夠亮，只要一顆就能夠“點亮”單個病毒。量子點的多色發光性質也可用于多色編碼，同時進行多指標臨床快速診斷，也可用于研究疾病的發生發展過程等等。到目前為止，還沒有其它熒光標記材料可以與性質獨特的量子點相媲美。

　　另一個重要應用是在光電顯示方面。相較于熒光粉而言，量子點具有發光純正、效率高、顏色可調等優異性質，因此，可降低能耗，提升色域，促進顯示產業升級。同時，量子點在顯示產業的大規模應用，可以節約珍貴的稀土資源。僅顯示行業，每年對于高質量量子點的需求量就高達數百噸。

　　此外，量子點在照明、太陽能電池、光催化合成、環境污染物降解、柔性電子器件制造、微型傳感器等領域也有巨大的應用前景。

　　張翼：當前量子點的應用非常廣泛，幾乎貫穿了從能源、傳感直至醫療的全行業。早期的量子點材料多少都帶有一定毒性，比如熒光效應很強的硫化鎘、碲化鎘等，經過這些年的研究，科學家們已經發現了很多低毒性的量子點材料，使其在生命領域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，能夠通過人體器官及組織間的多種膜及屏障到達特定的位置，是一種非常理想的、不必擔心抗藥性的靶向藥物。還有人嘗試將量子點做成診療一體化材料。比如合成具有多個熒光頻道的量子點，使用一個熒光波段（可見光范圍）發現癌細胞的同時，立刻切換另一波段（紅外）馬上殺死它。這聽起來是不是很酷？

　　量子點材料在能源領域也有巨大應用價值。比如在提高光電、光熱轉化效率方面，量子點材料也大有用武之地。此外在顯示技術、生物成像、傳感器等多個領域，量子點都發揮著重要作用。隨著量子點規模化制備的技術不斷成熟，成本不斷降低，未來量子點能夠在幾乎所有領域都有應用前景。

　　《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，我想強調一下，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。量子點這個名稱源于量子尺寸效應，也就是同一種化學成分，如果納米晶尺寸不同，其性質明顯不同（例如發光顏色可以從藍色一直調制到紅色）。因此，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，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，但量子點的廣泛應用仍面臨很多問題。目前，最難的是性能的精準控制，和使役的長期穩定性。例如，一臺電視的使用壽命往往需長達約10年，但要使量子點的性能在光、熱、水、氧等非常嚴酷、復雜的環境里穩定10年，難度很大。眾所周知，穩定納米顆粒很不容易，需要綜合考慮和平衡很多不利因素。另外，如何把量子點做到每一顆之間沒有太大差別，讓它們的性能都達到極致，也是一個巨大的挑戰。

　　“中國科學家做出了非常好的貢獻”

　　《中國科學報》：中國在量子點研究方面發展態勢如何？

　　張翼：近年來，國內在這方面的整體水平已經做得非常好，特別是一些頭部高校院所的研究者，他們的成果相對于世界領先的課題組，至少是不落后的。特別是剛才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（中國科學院理化技術研究所研究員）：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：我們從2001年開始并一直堅持進行量子點合成及其應用研究。開發了國際上第一件獲得授權（2004年）的可大規模安全生產量子點的發明專利技術，并提出了非注射的往復式升溫策略，攻克了高質量量子點大規模制造難題，年產能超1 噸，可用于100 多萬臺75 吋量子點電視；摒棄水氧阻隔膜，首創量子點光擴散板（QD-PS）全新模式，成本降低50%以上。在全球首次實現量子點光擴散板的實際應用，已投入量產并用于200 多萬臺量子點電視機。對提高我國在量子點液晶顯示領域的國際地位、占領未來顯示產業發展制高點、從顯示材料源頭和背光模式根本上改變受制于人的被動局面具有重大意義。

　　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。

　　泄密“烏龍”？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（浙江大學生命科學研究院研究員）：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攻關還是很好的，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Katalin Kariko，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。