2023年化學(xué)諾獎解讀｜量子點：電子“蝸居”，納米嶄露頭角

納米尺度的“雕刻” 和“蝸居”的電子

量子點通常是由數(shù)千個原子組成納米微晶體。

梁文杰解釋說，“ ‘量子點’中的‘量子’是指量子效應(yīng)?！c’是指物質(zhì)、電子或原子被限制在一個非常小的空間里，尺寸小到幾乎可以忽略不計。隨著量子點尺寸或形狀的變化，它的物理化學(xué)性質(zhì)能發(fā)生明顯的改變。”

”這就好比我們一群人舉行宴會，原本在一個比較空曠的大的屋子里，大家都很自由，也很平和。但后來空間變得越來越小，漸漸人擠人，互相影響，大家的臉色會發(fā)生變化，情緒也會變得暴躁起來。尺寸決定量子點的性質(zhì)。因為電子就像宴會中的我們一樣。”

量子點能吸收光，然后輻射出另一波長的光。即使是同一種成分，但不同尺寸的量子點還是會呈現(xiàn)出不同的顏色。雖然其化學(xué)成分、元素組成沒有改變，但納米尺度的尺寸變化，已經(jīng)改變了它們的電子排布。

理論計算作出的預(yù)測，比真正實驗發(fā)現(xiàn)并成功合成量子點早了大約40年。

1937年，物理學(xué)家赫伯特·弗洛里希（Herbert Fr?hlich）經(jīng)過計算后預(yù)言，當(dāng)材料顆粒的尺寸變得極小時，既是波又是粒子的電子會被擠壓在一起，這將導(dǎo)致材料的特性發(fā)生巨大變化。

其他研究人員被他的洞察力深深吸引，利用數(shù)學(xué)工具預(yù)測了許多與尺寸有關(guān)的量子效應(yīng)，并努力嘗試在實驗中證明這些效應(yīng)。但1納米等于百萬分之一毫米，等于十億分之一米。他們需要雕刻一個比針尖小一百萬倍的微小結(jié)構(gòu)來進行實驗。這在當(dāng)時是一個巨大的技術(shù)難題。

直到20世紀(jì)80年代初，俄羅斯和美國科學(xué)家分別獨立地創(chuàng)造出第一個量子點。剛剛博士畢業(yè)、在蘇聯(lián)瓦維洛夫國立光學(xué)研究所工作的阿列克謝·伊基莫夫觀察到，不同的燒制工藝制備的玻璃樣品中氯化銅微晶體的尺寸差異巨大。有的只有2納米左右，有的高達(dá)30納米。

他發(fā)現(xiàn)，微晶顆粒越小，吸收的光線就越偏藍(lán)。

1981年，伊基莫夫在蘇聯(lián)的一份科學(xué)雜志上發(fā)表了上述發(fā)現(xiàn)，并將之解釋為與納米材料尺寸有關(guān)的量子效應(yīng)——量子尺寸效應(yīng)。

2年后，1983年，路易斯·E·布魯斯發(fā)表了類似的量子效應(yīng)實驗結(jié)果。他對比的是4.5納米和12.5納米硫化鎘顆粒，首次證明了液體中自由漂浮的膠體粒子的量子尺寸效應(yīng)。

為什么材料顆粒的吸光度稍微偏向藍(lán)色如此重要，并受到人們關(guān)注？

因為電子支配著物質(zhì)的光學(xué)特性，也支配著物質(zhì)的催化化學(xué)反應(yīng)能或?qū)щ娔芰Α．?dāng)研究人員檢測到物質(zhì)的吸光度發(fā)生變化時，他們明白，原則上，他們看到的是一種全新的材料。

最大貢獻：元素周期表的“第三維”

除了五顏六色的光學(xué)特性和應(yīng)用，袁嵐峰認(rèn)為，量子點最大的貢獻是，“相當(dāng)于‘給元素周期表增加了一個維度’，我覺得這是最好的表達(dá)了”。這是它帶來的理論認(rèn)知層面的啟示。

一種化學(xué)元素的特性主要受其電子層數(shù)和外殼電子數(shù)的影響。這被認(rèn)為是元素周期表的兩個維度。此前人們對元素周期表的擴展局限在二維層面，不斷尋找或創(chuàng)造新的元素。

但量子點材料表明，在納米層面上，尺寸的變化對材料的性質(zhì)影響很大，意味著想要開發(fā)新材料的科學(xué)家們又多了一個可以利用的因素。

袁嵐峰表示，“大家就把材料（設(shè)計）比喻成‘炒菜’。以前是換很多元素的組合來‘炒菜’，現(xiàn)在，又增加了一個維度——可以調(diào)整納米粒子的尺寸。那么可以炒的菜豈不是更多？”

梁文杰則表示，量子點的尺寸改變一點點，電子的“脾氣”就可能變化很多?！拔覀冊趺锤_地控制它，使它的性能越來越卓越，然后產(chǎn)生顛覆性技術(shù)，是需要進一步探究的問題?！?nbsp;

袁嵐峰告訴澎湃科技，“我印象很深的一件事是2020年時對話諾貝爾物理學(xué)獎獲得者安德烈·蓋姆。一開始，我準(zhǔn)備了一個問題，想問他關(guān)于石墨烯產(chǎn)業(yè)化的問題，或者石墨烯的技術(shù)應(yīng)用做到什么程度了？因為有很多人說石墨烯材料缺少一個殺手級的應(yīng)用。沒想到，他對這種問題完全不感興趣。他說，‘我獲得諾貝爾獎不是因為技術(shù)應(yīng)用，而是我揭示了一個可能性。此前人們覺得材料都是三維的，但我告訴大家，有新的領(lǐng)域，有二維材料存在。你就會發(fā)現(xiàn)，二維材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止石墨烯。你完全不用局限于石墨烯，你可以尋找更多二維材料，找到其他更多有用的東西。’ 所以安德烈·蓋姆最大貢獻是告訴大家二維材料的存在。同樣，量子點最大貢獻是告訴大家元素周期表有第三個維度?！?/span>

因為在二維石墨烯材料上的開創(chuàng)性實驗，英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·蓋姆與其學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫被授予2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

此外，袁嵐峰還提到另一個由量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的新概念：納米限域催化。在2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長包信和院士帶領(lǐng)的中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所相關(guān)項目團隊獲得自然科學(xué)獎一等獎。據(jù)央視新聞報道，納米限域催化實際上是在納米尺度給催化反應(yīng)體系提供一個有約束的環(huán)境，比如空間和界面的作用等，對催化劑體系的電子能態(tài)進行調(diào)變，改變催化劑的活性和選擇性，從而實現(xiàn)催化性能的精準(zhǔn)調(diào)控。

合成方法重要嗎？

什么是工程？梁文杰表示，首先需要大批量制備，并且實現(xiàn)一致性。

袁嵐峰解釋說，現(xiàn)在做芯片有個非常重要的指標(biāo)——芯片良率。如果一個方法只是理論上可行，但是產(chǎn)率特別低，那么可能成本極高，要么完全沒法用，要么成為少數(shù)人的游戲。就像在發(fā)明大規(guī)模電解鋁的方法之前，只有這種貴族、王室才能用起鋁。量子點要“飛入尋常百姓家”，必須提高良率。

如何合成大批特定尺寸的納米晶體？

在20世紀(jì)80年代，納米雕刻的“刀工”還不行，因此阻礙了量子點相關(guān)研發(fā)工作。

突破直到十年后才到來。

從1983年布魯斯發(fā)表量子尺寸效應(yīng)的研究論文，5年后，1988年，蒙吉·G·巴文迪到布魯斯的實驗室開始博士后研究。他們制備的納米晶體的質(zhì)量越來越好，但仍然不夠理想。

又過了5年，1993年，巴文迪帶領(lǐng)的研究小組終于取得了重大突破。他們利用熱注入合成法，成功合成了單分散納米粒子，為量子點的大規(guī)模應(yīng)用開發(fā)打開了大門。

梁文杰介紹，熱注入合成法是把特定溶劑加熱到300攝氏度以上，然后把含有量子點材料的溶液注入的前述沸騰的溶劑中，由于過飽和，量子點材料會迅速形成晶核，就像雨云里的凝結(jié)核一樣。

海納·林克在諾貝爾獎官網(wǎng)發(fā)布的文章中寫道，現(xiàn)代納米科學(xué)領(lǐng)域要求對納米結(jié)構(gòu)的合成進行精確和理想的原子級調(diào)制。量子點的發(fā)現(xiàn)，以及用高精度但相對簡單的化學(xué)方法合成這種材料的能力，是納米科學(xué)和納米技術(shù)發(fā)展的重要一步。2023年諾貝爾化學(xué)獎的獲獎?wù)咴诮⑦@些能力方面發(fā)揮了核心作用，并以這種方式為納米科學(xué)領(lǐng)域的成長提供了種子。

來源：澎湃新聞