2023 诺贝尔化学奖提前泄露：量子点获奖10 月 4 日，欧洲中部时间 11 时 45 分（北京时间 17 时 45 分），诺贝尔奖委员会
宣布，将 2023 年诺贝尔化学奖授予 Moungi G. Bawendi、Louis E.Brus、Alexei l. Ekim
ov，以表彰他们“对量子点的发现与合成”。Moungi G. Bawendi，1961 年出生于法国巴黎。1988 年获得美国伊利
诺伊州芝加哥大学博士学位。美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院 (MIT) 教授。Louis E. Brus，1943 年出生于美国俄
亥俄州克利夫兰。1969 年获得美国纽约哥伦比亚大学博士学位。美国纽约州哥伦比亚大学教授。Alexei I. Ekimov，194
5 年出生于苏联。1974 年获得俄罗斯圣彼得堡 Ioffe 物理技术研究所博士学位。曾任美国纽约市 Nanocrystals T
echnology Inc 首席科学家。在结果公布前几小时还发生了一个有趣的插曲。有瑞典媒体报道，瑞典皇家科学院在一封电邮中，提前
泄露了获奖者名单。结果，最终公布结果与泄露的名单完全吻合。中科院半导体所研究员姬扬表示，量子受限体系在基础研究和产业应用中都非常重
要，量子点就是一个典型代表，科学界预计该工作会得诺奖其实已经很多年了。据此前诺贝尔奖官网消息，2023 年每项诺贝尔奖的奖金将增加
100 万瑞典克朗，达到 1100 万瑞典克朗（约合 727 万人民币）。外界猜测原因是今年以来瑞典克朗相对于其他主要货币都出现
了不小的贬值。这也不是诺奖第一次提高奖金金额。10 月 4 日，Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus 和
Alexei I. Ekimov 因发现和合成量子点而荣获 2023 年诺贝尔化学奖。这些微小的粒子具有独特的性质，从电视屏幕到
LED 灯管都在散射它们放出的光芒。它们也可以催化化学反应，其清晰的光线不仅为外科医生照亮了肿瘤组织，同时还有其他许多重要的应用
。每个学化学的人都知道，一种元素的性质是由它有多少电子决定的。然而，当物质缩小到纳米尺度时，就会出现量子效应；这些都是由物质尺度决
定的。2023 年诺贝尔化学奖得主成功地制造出了小到其性质由量子现象决定的粒子。这种被称为量子点的粒子在纳米技术中非常重要。“量子
点有许多迷人而不寻常的特性。重要的是，它们的颜色取决于它们的大小，”诺贝尔化学委员会主席 Johan ?qvist 说。物理学家很
早就知道，理论上，量子效应依赖于尺度并可能出现于纳米粒子中，但当时几乎不可能在纳米尺度上进行雕刻。因此，很少有人相信这些知识会被付
诸实践。然而，在 20 世纪 80 年代早期， Alexei Ekimov 成功地在有色玻璃中创造出了依赖于尺寸的量子效应。这种颜
色来自氯化铜的纳米颗粒，Ekimov 证明了粒子大小可以通过量子效应影响玻璃的颜色。几年后，Louis Brus 成为世界上第一位
证明在流体中自由漂浮的粒子存在大小依赖的这一量子效应的科学家。1993 年，Moungi Bawendi 彻底改变了量子点的化学产
生方式，产生了几乎完美的粒子。这种高质量对于它们在应用中使用是必要的。量子点现在照亮了基于 QLED 技术的电脑显示器和电视屏幕。
它们还为一些 LED 灯的光线增添了细微差别，生物化学家和医生用它们来绘制生物组织图。因此，量子点给人类带来了巨大的好处。研究人员
相信，在未来，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——毕竟我们才刚刚开始探索这些微小粒子的潜
力。来源：诺贝尔奖官网参考阅读：《少即是多：量子点的发展历程——从定义到应用》作者丨材料人学术组 NanoCJ纳米技术的发展在近几
十年的科学研究中扮演了至关重要的角色，层出不穷的纳米材料如今在从催化到生物医学的许多领域都有广泛深入的应用。在各式各样的纳米材料中
，胶体纳米晶可能是目前最主要的分支材料之一，其在许多领域都具备了强有力的应用前景。加州大学伯克利分校的 Paul Alivisat
os 在纳米领域做出了许多具有开创性的工作，他在著名期刊 Nano Letters 的创刊词中，曾经发出过这样的提问[1]：为什么
这样一个特定尺度范围可以定义一个科学范畴以及一本科学期刊？纳米尺度如此引人注目的特殊之处到底在哪？在这里，我们通过汇总梳理了量子点
（正是 Paul Alivisatos 在发展量子点材料上起到了举足轻重的作用）在各个领域的发展来为试图这个问题题写下小小的注脚。
量子点的定义一般来说，胶体纳米晶是尺度在 1～100 nm 的晶体以亚稳态的形式存在于溶液中的片段。由于其物理尺寸与许多性质的临界
尺寸相近、可观的表面原子比等特点，胶体纳米晶的诸多性能都呈现出尺寸相关的独特现象[3]。传统意义上来说，胶体纳米晶主要分为贵金属胶
体纳米晶与半导体胶体纳米晶。根据经典的量子限域效应，当半导体胶体纳米晶的几何半径小于其体相材料的激子波尔半径时，价带和导带的能级会
呈现离散分布形式，此时纳米晶的性质变得与尺寸相关。于是，经典的研究将半径尺寸小于或接近激子波尔半径的半导体纳米晶称之为量子点。量子
点的结构（表面与核），图源：参考文献 [2]在量子点最初的发展阶段，研究基本集中在金属硫族化合物领域。1993 年 MIT 的 B
awendi 课题组[4]将有机金属化合物注射到高温溶剂中，化合物在溶液中受热分解并进行成核生长，从而得到了分散性良好的硒化镉（C
dSe）等金属硫族化合物纳米晶。这些高质量半导体纳米晶的直径尺寸分布在 1～12 nm 左右的范围内，拥有一致的晶体结构，并且呈现
出尺寸相关的光发射和吸收特性。这是半导体纳米晶研究快速发展时期系统研究量子点的早期经典之作。然而，经过几十年的发展研究，量子点的概
念从最初的半导体纳米晶也进行了延伸扩展，到如今钙钛矿量子点、碳量子点以及不含镉的无机量子点等材料也成为了研究热点。因此，这些新兴材
料的应用也将会被涉及到。单分散 CdSe 纳米晶的 TEM 图像，图源：参考文献 [4]发光二极管早在 1994 年，P. Ali
visatos 等人就首次将 CdSe 量子点与半导体聚合物结合在一起用于制造新型有机无机杂化电致发光二极管。通过发展新型组装技术
，研究人员构建了多层量子点，可实现电荷传输，传统块体无机半导体二极管在热、化学、机械稳定性上的优势也被保留了下来[5]。然而这些器
件中有机层会的载流子迁移率和纳米晶的传导效率都非常低，直接拖累了光电器件的效率。到了2006年左右的时候，S. J. Rosent
hal[6]等人制备了一种超小 CdSe 纳米晶作为白光荧光粉。这种量子点尺寸非常均一，比表面积大，显著提高了电子和空穴在纳米晶表
面相互作用的几率，使得纳米晶的斯托克位移可以达到 40~50 nm 并且在可见光区域展现出宽谱发射的特性。这一新型白光荧光粉的发明
大大拓展了量子点发光二极管?(QLED)?的应用前景。近年来，实验室制备 QLED 原型器件在设计和机理研究方面逐渐成熟[7]，推
进工业化生产大面积RGB像素阵列也成为了研究热点。如今，喷墨打印、转印法等图案化技术的发展为 QLED 的大面积显示技术的成熟奠定
了基础，显著地推进了 QLED 的商业化应用。QLED 的喷墨打印，图源：参考文献 [7]活体成像荧光是一种在生物领域拥有广泛应用
的工具。相较于传统荧光染料来说，量子点具有发射光亮度高、摩尔消光系数大、具有宽泛的吸收谱等特点，可作为荧光染料或者荧光蛋白的替代材
料。P. Alivisatos 等人[8]在 1998 年就将量子点用于纤维原细胞标记，从此揭开了量子点作为荧光探针应用于生物医学
成像的研究。聂书明课题组也在成像领域做出了开创性的工作。该课题组不仅早在 1998 年就利用硫化锌/硒化镉核壳量子点与生物大分子共
价偶联实现了超灵敏的非同位素示踪[9]，他们还首次实现了活体动物内的肿瘤靶向和成像研究[10]，发展了量子点疾病诊断研究。无机纳米
晶尤其是镉基纳米晶对生物体会造成毒性作用，因此合成生物相容性优异的量子点一直是研究热点。比如有研究合成铜基或银基量子点可有效降低材
料的生物毒性。此外，发展无金属量子点也是重要的策略。如 Ya-Ping Sun 等人合成的碳点在注射到小鼠体内后仍然能保持可观的荧
光强度[11]。除了毒性以外，优化量子点的发射区域以更符合近红外生物光学窗口也是纳米晶医学应用的挑战之处。碳点用于体内光学成像，图
源：参考文献 [11]癌症治疗光动力学疗法如今已经发展成为 FDA 批准的癌症治疗方案。一般来说，光敏剂药物在体内受激产生活性氧杀
死肿瘤细胞。然而，光敏剂的水溶性差，容易在体内因聚集而失去光化学活性。2003年，Burda 团队[12]首先阐释了 CdSe 量
子点作为光敏剂的发展潜力。量子点的光学特性决定了它是一种强大的光子吸收剂，能够有效传递能量，其表面可功能化的特点也能够增强在体内的
分散性。为了解决毒性问题，中科院理化所汪鹏飞以及香港城市大学 Wenjun Zhang 的联合团队[13]发现石墨烯量子点可以高效
产生单线态氧并作用于活体杀死肿瘤。此外，近来的研究还将量子点材料扩展到了肿瘤光热治疗以及放射治疗的应用上。石墨烯量子点的单线态氧生
成机制，图源：参考文献 [13]人工光合作用根据量子限域效应，通过适当的方法量子点的带隙可以被人为调整，因此与相应的块体材料和分子
染料相比，量子点的吸收发射区域可以覆盖整个可见光光谱范围。不仅如此，量子点的激子生成和电荷分离效应更加可控，因此量子点在催化领域的
应用也是非常重要的课题。20 世纪 80 年代开始就有研究将量子点修饰到铂或者氧化钌[15]等助催化剂上可以催化水解。自那时起，研
究人员就开始致力于构建基于量子点的人工光合作用并不断优化其性能。2012 年，量子点催化体系的光催化产氢研究取得了重要突破。Kra
uss[16]等人发现利用硫辛酸包覆 CdSe 量子点后，量子点极易与镍离子-硫辛酸体系进行键连形成杂化催化体系。在可见光辐照下，
这个体系能够保持活性产氢至少达 360 小时（量子产率可达36%），大大提升了无贵金属催化剂的应用前景。到目前为止，经过数十年的发
展人工光合作用系统已经进入到探索量产化和大面积使用的阶段，量子点在获取来源、制备成本方面相比贵金属已建立优势，然而发展无镉的环境友
好及可见光响应型量子点（如硒化锌量子点等）依然是实现新型能量转换系统的既有挑战。量子点在人工光合作用领域的应用优势，图源：参考文献
[14]钙钛矿量子点到目前为止，金属硫化物纳米晶是发展最好、研究最为深入的量子点材料，其应用范围也最为广泛。近五年来，晶体结构为钙
钛矿型的量子点正成为新兴的研究热点。这种新型量子点不再是金属硫化物，取而代之的是金属卤化物，拥有钙钛矿结构的金属卤化物能展现出独特
的超导性能、铁电性能等传统量子点不具备的特性。最早出现的有机-无机杂化钙钛矿纳米晶存在着对氧气和湿度等环境因素极其敏感的缺点，限制
了这种材料的发展。几乎与此同时，Kovalenko 的课题组[17]在 2014 年率先制备了全无机铯铅卤化物钙钛矿量子点，这种胶
体量子点具备立方钙钛矿晶体结构，而激子波尔半径又不超过 12 nm，因此也表现出尺寸相关的谱学性质。这一新兴材料结合了量子点和钙钛
矿材料的优势，可扩展量子点的潜在应用范围，近一两年来，钙钛矿量子点不仅在光伏电池和光电显示器件有所应用，还未制造新型激光材料[18
]提供了新策略。铯铅卤化物钙钛矿量子点的结构和性能，图源：参考文献 [17]小结量子点是阐释所谓纳米材料的“尺寸效应”的代表性材料
，它在越来越多的领域得到了更加广泛深入的应用，从光电器件到光催化再到生物检测，几乎涵盖了人们当下以及未来的日常生活需求。但是由于篇
幅所限，许多量子点家族成员材料如硅量子点等都未能提及，对材料应用的介绍也停留在代表性研究上。通过汇总这些经典的研究范例，期望量子点
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