除了泄密乌龙，这届诺贝尔化学奖没“出乎意料”
10月4日，2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院教授Moungi G. Bawendi、哥伦比亚大学教授Louis E. Brus和俄罗斯科学家Alexey I. Ekimov，以表彰他们在“量子点的发现和合成”中作出的开创性贡献。
出人意料的是，今年的诺贝尔化学奖碰到了十分罕见的“泄密乌龙”：三位科学家的名字在瑞典皇家科学与暗公布正式之前提前几小时就与很多公众见面了。
不过，多位科学家在接受《中国科学报》采访时表示，三人获奖“并不出乎意料”。
记者从采访中了解到，三位诺奖得主都有着许多不为人知的故事。如Bawendi曾冒着生命危险，在300℃高温下合成单分散量子点，最终摘得诺奖桂冠。
Brus与很多中国科学家都有往来，是中国科学院爱因斯坦讲席教授。此次，他与曾经的博士后Bawendi一起获奖，成就了诺贝尔奖历史上又一桩“师徒同摘桂冠”的美谈。
作为世界上第一个发现“量子点”的人，Ekimov的学术界影响在今天则似乎已经淡出人们的视野，但他并未错过诺贝尔奖评审委员会的视线。
这届诺贝尔化学奖得主还有哪些故事？量子点究竟有何应用前景？中国相关研究态势如何？请跟随几位化学领域学者的分享，让我们更近距离认识“量子点”和几位新晋诺奖得主。
获奖“只是时间问题”
《中国科学报》：今年诺贝尔化学奖颁给量子点，出乎你的预料吗？
彭笑刚（浙江大学化学系教授、纳晶科技股份有限公司创始人）：不出乎意料，量子点获得诺贝尔奖只是时间问题。但颁奖的角度稍有意外，“量子点发现与合成”，意味着从材料化学角度评估其科学价值。作为一种新型材料，一般要在应用上达到一定程度才会获奖。最近几年，量子点显示终端已经达到百亿规模的市场，所以这个时候获奖很正常。
庞代文（美国医学与生物工程院院士、南开大学化学学院教授）：这是意料之中的事，我从几年前开始，每年给学生上课时就会说：量子点会获诺奖。量子点是发光性质独特的新材料、新发现，其发光原理也很新颖，具有非常广阔的应用前景，例如，我们团队率先突破的量子点光扩散板技术已用于200多万台彩电。
《中国科学报》：你对三位获奖科学家是否有一些了解？
彭笑刚：三位科学家我都知道。Brus是我博士后导师的博士后导师，Bawendi是我导师的师弟，跟两位科学家见面较多，他们对科学研究都非常有品位，是很好的学者。做科学的兴趣都瞄准解决一些对人类发展具有重大意义的问题，对于名利不是那么在意。
2012年，Brus受聘担任中国科学院爱因斯坦讲席教授。当时他以私人身份访问杭州，和我在一起待了两天。那时，我刚从美国回国创业不久，建立纳晶科技公司，那段时期我们的处境比较艰难，他非常支持我们的创业，他相信量子点具有相当不错的潜力，主动同意做我们的科学顾问，不计报酬，即便有很多困难，这么多年一直在支持我们。
第三位获奖者Ekimov是一位苏联学者，这次很多人可能不会想到他会得奖，因为过去这些年他在美国实际上没有获得很好的研究职位，他的成绩在美国学界也没有得到重视，但他是量子点的最早发现者之一。
庞代文：1980年，苏联科学家Ekimov在研究彩色玻璃时，第一次发现了藏匿于其中的量子点。在经历不同的加工过程后，彩色玻璃中形成了不同尺寸的纳米晶，表现出了尺寸依赖的光学性质。随后，苏联的Alexander Efros提出了尺寸依赖性质的量子力学原理，进一步深化了对于量子点发光原理的认识。
1983年，美国的Louis Brus在研究硫化镉溶胶纳米颗粒时，意外地发现了半导体纳米颗粒激子吸收随尺寸变化。在此基础上，详细研究了其机理，并提出了著名的描述量子点第一激子激发态能量与其块体带隙、尺寸相关的量子限域能以及电子-空穴库仑相互作用能之间关系的理论公式，发表于1983年的《化学物理杂志》（J. Chem. Phys.）上。
早期制备的量子点因颗粒尺寸不均一、结晶性差、晶格缺陷多等不足，限制了其进一步的研究与应用。曾在Brus课题组从事过博士后研究的Bawendi提出了具有划时代意义的“热注射法”。通过对温度的控制，将成核与生长阶段分开，从而制备出了尺寸均一、结晶性好的高质量量子点，使其应用成为可能。
今年3月份，Brus还给我发来邮件，说对我们做的工作印象非常深刻。今天我给他发邮件表示祝贺。《化学物理杂志》（J. Chem. Phys.）今年出版了一期专刊，纪念Brus第一篇有关硫化镉胶体量子尺寸效应的研究论文发表40周年，我们也受邀报道了一个工作。
张翼（中南大学化学化工学院教授）：值得一提的是，不少学者对Ekimov不太熟悉，主要是因为他的工作是四十多年前做出来的，现今在相关国际会议上很难见过他的身影，只在文献上能“遇到”他，不知道他目前已经是不是已经处于退休状态了。从这个角度来看，这也体现了诺奖鼓励原创的特点。Ekimov可能不是这个领域做得最好的，他甚至可能也没有产出很多顶刊文章，他在学术界的影响在今天可能已经淡出人们的视野了，但他是这个领域的先驱者和的奠基人之一。很高兴看到诺奖总是在鼓励那些默默无闻地做出原创性成果的人。
《中国科学报》：你如何看待三位获奖者的排名顺序？
钟海政（北京理工大学材料学院教授）：我猜测，排名的先后虽然没体现时间原创性，但应该考虑了对化学领域的贡献。
Bawendi课题组有个重要贡献，就是冒着生命危险，利用物理真空方法的二甲基镉和双（三甲基硅基）硒作为反应源，在300℃高温下实现了单分散量子点的合成（尺寸分布小于5%），展示了纳米材料化学合成的精确控制，实现了非常窄的发射光谱。这也是他排在第一位的原因——巴文迪报道的方法，开辟了量子点合成化学研究方向。
胶体量子点的研究起始于Brus教授，1982年他在贝尔实验室工作的时候，偶然之间发现水溶液中纳米颗粒的颜色变化，阐述了胶体量子点概念，发现了纳米颗粒量子效应。
Ekimov则更早发现在晶体尺寸不同时会带来不同颜色的掺杂玻璃，推动了量子点概念诞生，同时发展了量子点的理论研究。
我从事量子点研究20年，与这些学者有过一些近距离接触，这次获奖也使得自己更深刻地体验了原创科学的诞生和发展，希望中国的未来科学家也能了解这些故事，做出开辟领域的诺奖级别原创贡献，为人类社会的发展作贡献。
《中国科学报》：今年的诺贝尔化学奖是不是偏物理？
钟海政：化学合成贡献是获奖的基石，三位获奖者开辟了纳米颗粒制备方法，在纳米技术和应用中扮演着非常重要的角色，获诺贝尔化学奖可谓实至名归。
前景广阔 挑战犹存
《中国科学报》：请就量子点做个介绍。
钟海政：量子点又称半导体纳米晶，是非常有代表性的纳米材料体系，几乎大部分材料都可以用纳米晶技术方法来制备，比如最近较热的钙钛矿。
庞代文：按照中国国家标准的科学定义，即因电子态量子限域效应表现出尺寸依赖性质的晶态纳米颗粒。通俗地说，量子点通常是指半径小于或接近于其激子玻尔半径的准零维半导体荧光纳米晶体。“准零维”是指在空间三个维度的尺寸都要在纳米级，即比头发丝的千分之一还小。在如此狭小的空间内，电子运动受限，其能级不再连续，而是分立“量子化”的，因而其发光性质也具有量子化的特征，故被称为量子点。
《中国科学报》：量子点研究目前主要有哪些方面的应用？
彭笑刚：半导体对于人类生活的重要性大家都了解，量子点作为一类全新材料，实际上是把半导体纳米化，也就是纳米尺度的单晶，使它们不但能够表现出半导体本身的一些特性，同时每一个量子点又是一个量子系统，表现出不同于传统半导体的独特性质，尤其适合于操控光子，可能影响所有与发光和光电应用相关的产业。比如基于近年来量子点材料合成的发展，全球量子点显示终端产品已经百亿规模、走进了千家万户。
庞代文：在生物医学领域，它是一种很好的生物医学成像的标记材料。它的荧光足够亮，只要一颗就能够“点亮”单个病毒。量子点的多色发光性质也可用于多色编码，同时进行多指标临床快速诊断，也可用于研究疾病的发生发展过程等等。到目前为止，还没有其它荧光标记材料可以与性质独特的量子点相媲美。
另一个重要应用是在光电显示方面。相较于荧光粉而言，量子点具有发光纯正、效率高、颜色可调等优异性质，因此，可降低能耗，提升色域，促进显示产业升级。同时，量子点在显示产业的大规模应用，可以节约珍贵的稀土资源。仅显示行业，每年对于高质量量子点的需求量就高达数百吨。
此外，量子点在照明、太阳能电池、光催化合成、环境污染物降解、柔性电子器件制造、微型传感器等领域也有巨大的应用前景。
张翼：当前量子点的应用非常广泛，几乎贯穿了从能源、传感直至医疗的全行业。早期的量子点材料多少都带有一定毒性，比如荧光效应很强的硫化镉、碲化镉等，经过这些年的研究，科学家们已经发现了很多低毒性的量子点材料，使其在生命领域有非常广阔的应用空间。
比如石墨烯量子点，这种碳基量子点不仅可以做到颗粒尺度非常小（2纳米及以下），其生物兼容性也非常好，能够通过人体器官及组织间的多种膜及屏障到达特定的位置，是一种非常理想的、不必担心抗药性的靶向药物。还有人尝试将量子点做成诊疗一体化材料。比如合成具有多个荧光频道的量子点，使用一个荧光波段（可见光范围）发现癌细胞的同时，立刻切换另一波段（红外）马上杀死它。这听起来是不是很酷？
量子点材料在能源领域也有巨大应用价值。比如在提高光电、光热转化效率方面，量子点材料也大有用武之地。此外在显示技术、生物成像、传感器等多个领域，量子点都发挥着重要作用。随着量子点规模化制备的技术不断成熟，成本不断降低，未来量子点能够在几乎所有领域都有应用前景。
《中国科学报》：现在量子点的研究还面临哪些困境？
彭笑刚：难题还有很多。
首先，我想强调一下，诺贝尔化学奖颁发的不是量子点，而是“量子点发现与合成”，是量子点作为一类新材料的发展过程，这其实就是这个领域最难的地方。量子点这个名称源于量子尺寸效应，也就是同一种化学成分，如果纳米晶尺寸不同，其性质明显不同（例如发光颜色可以从蓝色一直调制到红色）。因此，合成的纳米晶体尺寸必须严格控制，同时让它表现出量子效应，这是一件非常难做的事情。同时，量子点影响的产业不止一个，每个产业中所需的量子点都会有或大或小的差别，产业落地意味着必须为每一个应用量身定制量子点，这就使得每个应用领域所需量子点都要个性化。而这类材料在人类合成化学历史上尚无先例，如此一来它们的加工化学和器件制成等方面都会碰到一些新的挑战。
庞代文：全世界都在努力，但量子点的广泛应用仍面临很多问题。目前，最难的是性能的精准控制，和使役的长期稳定性。例如，一台电视的使用寿命往往需长达约10年，但要使量子点的性能在光、热、水、氧等非常严酷、复杂的环境里稳定10年，难度很大。众所周知，稳定纳米颗粒很不容易，需要综合考虑和平衡很多不利因素。另外，如何把量子点做到每一颗之间没有太大差别，让它们的性能都达到极致，也是一个巨大的挑战。
“中国科学家做出了非常好的贡献”
《中国科学报》：中国在量子点研究方面发展态势如何？
张翼：近年来，国内在这方面的整体水平已经做得非常好，特别是一些头部高校院所的研究者，他们的成果相对于世界领先的课题组，至少是不落后的。特别是刚才谈到的一些量子点的应用，我们中国科学家做出了非常好的贡献。
谢政（中国科学院理化技术研究所研究员）：中国有若干世界级量子点研究专家，不过我们的新型量子点的应用还不很多，中国原创的量子点材料和应用有待引导。
庞代文：我们从2001年开始并一直坚持进行量子点合成及其应用研究。开发了国际上第一件获得授权（2004年）的可大规模安全生产量子点的发明专利技术，并提出了非注射的往复式升温策略，攻克了高质量量子点大规模制造难题，年产能超1 吨，可用于100 多万台75 吋量子点电视；摒弃水氧阻隔膜，首创量子点光扩散板（QD-PS）全新模式，成本降低50%以上。在全球首次实现量子点光扩散板的实际应用，已投入量产并用于200 多万台量子点电视机。对提高我国在量子点液晶显示领域的国际地位、占领未来显示产业发展制高点、从显示材料源头和背光模式根本上改变受制于人的被动局面具有重大意义。
彭笑刚：量子点是从材料化学角度获奖，揭示了学界的一个共识：量子点关键在于合成化学、加工化学的发展水平。基础研究方面，国内对于量子点研究的潜力认识仍然不够，国家层面的支持力度还不是太够。但产业界已经认识到其巨大潜力，热情投入支持量子点研究。比如纳晶科技在过去十多年里，获得了七八亿元的风险投资。
我们实验室（前十年在美国、近十四年在中国）发展的量子点绿色合成路线是目前国际学术界和产业界的基础合成路线，近年来进一步解决了量子点尺寸控制与量子限域性质之间的矛盾。在这个意义上，我们应该是走在国际前列。此外，在量子点背光源显示产业落地方面，纳晶科技公司与国内显示产业龙头企业联手，确保了在这一次显示产业升级中不落人后。浙江大学在2014年证明量子点电致发光显示可行性（2014年中国科学十大进展），企业也快速开始研发这一潜在的新一代显示技术，有望摆脱显示产业跟随者的命运。
泄密“乌龙”？学者：别关注偏了
《中国科学报》：在诺贝尔化学奖评选结果发布约4个小时前，有媒体报道瑞典皇家科学院发生了误发电子邮件的“乌龙事件”，导致结果提前泄露；之后诺奖委员会虽及时澄清并照常举办发布会，但仍然造成了不大不小的“乌龙”。你对此怎么看？
林世贤（浙江大学生命科学研究院研究员）：在诺奖历史上，出现泄露事件的情况是极少见的。但诺奖委员会也是人，偶尔一两次难免忙中出错，这也合乎情理。
另外，我觉得诺奖委员会的攻关还是很好的，出现意外情况后，他们第一时间做了澄清，并且给出了合理的理由，我觉得澄清理由是令人信服的。
姜雪峰（华东师范大学化学与分子工程学院教授）：诺奖委员会（做好保密工作）要树立的是一种科学精神，而不是为了满足人们的猎奇心理。我们其实没必要把颁奖时间看得太重，而是要关注获奖科学家们对科学的贡献、科学精神的传递。
我们在谈论诺奖的时候也应如此，拿奖固然值得祝贺和值得尊敬，但还有千万没获得奖项证明的科技工作者，也在前仆后继做着这样那样的贡献。两天前获得诺贝尔生理学或医学奖的Katalin Kariko，她在漫长的等待中没有得到肯定，但她依然艰苦奋斗。她传递的不只是一种科学精神，更是一种突破人生瓶颈、追寻心中所爱的精神。我想这是我们关注诺奖应该去关注的方面。
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