三位科学家获2023诺贝尔化学奖,“量子点”制造技术取得新突破

发布时间:2023-10-07 16:52:18 来源:小编 点击:

北京时间10月4日,瑞典皇家科学院宣布,将2023年诺贝尔化学奖授予Moungi G. Bawendi,Alexei I. Ekimov和Louis E. Brus,以表彰他们在“量子点的发现和合成”方面所做出的贡献。他们将平均分享1100万瑞典克朗的奖金。

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蒙吉·巴文迪

    蒙吉·巴文迪(英语:Moungi Bawendi,阿拉伯语:منجي الباوندي),1961年出生于法国巴黎,法国-突尼斯裔美国化学家,美国艺术与科学院院士 ,美国国家科学院院士 ,诺贝尔化学奖获得者,美国麻省理工学院教授。

    蒙吉·巴文迪于1982年获哈佛大学学士学位;1988年获芝加哥大学博士学位,同年在贝尔实验室进行博士后工作;1990年进入麻省理工学院任教;1995年任麻省理工学院副教授;1996年任麻省理工学院教授;2004年当选为美国艺术与科学院院士;2007年当选为美国国家科学院院士;2023年获诺贝尔化学奖。蒙吉·巴文迪的主要研究领域为化学生物学、材料与纳米科学、物理学等。

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路易斯·布鲁斯

    路易斯·布鲁斯(Louis Brus),男,1943年出生于美国俄亥俄州克利夫兰,美国哥伦比亚大学化学系教授。2023年10月4日,获得2023年诺贝尔化学奖。


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阿列克谢·叶基莫夫

    阿列克谢·叶基莫夫(Alexei Ekimov),男,1945年出生于苏联,俄罗斯物理学家。美国纳米晶体技术公司前首席科学家。2023年10月 ,获得2023年诺贝尔化学奖。


    什么是量子点?

    如今许多人在家用QLED(量子点发光二极管)电视观看色彩逼真的影片,其中的量子点就是刚刚公布的诺贝尔化学奖研究成果。量子点这种纳米级材料不但为液晶显示技术带来质的飞跃,它在光学等方面的特性也为研究人员在生物化学、医药等领域“探照”出更多潜在的应用路径。

    量子点是一类非常小的纳米尺度颗粒,也被称为半导体纳米晶。一个量子点通常只由数千原子组成,如果要形象描述它的“小”,可以想象一个量子点与一个足球的对比,正如足球与地球的对比。

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    纳米晶体指晶粒为纳米尺寸的晶体材料,或具有晶体结构的纳米颗粒,一般尺寸小于100纳米。直径小于10纳米的半导体纳米晶体,则通常被称为量子点。





    这个名字,来源于其独特的量子限域效应或者量子尺寸效应。当物质缩小到纳米尺寸时,就会出现量子现象,如今量子点在纳米技术中非常重要。




    诺贝尔化学委员会主席 Johan Åqvist 表示:    量子点具有许多令人着迷且不寻常的特性,它们根据大小而具有不同的颜色。




    量子点为人类做出的贡献不容小觑。研究人员相信,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。



    量子点的特殊结构和尺寸,使其内部电子运动受限,从而影响其光学性质,不同尺寸的量子点会发出不同颜色的光。科学界早就在理论上认为可以通过调整量子点的尺寸来实现相应的量子效应,但如何高效制造出质量稳定的量子点,困扰了科学界相当长一段时间。

    上世纪80年代初,两位科学家在量子点研究上取得重要突破。当时在苏联科研机构工作的阿列克谢·叶基莫夫在玻璃基质中合成了量子点,并于1981年在学术期刊上发表他的成果。美国的路易斯·布鲁斯也在胶体溶液中合成了量子点,并于1983年发表了研究成果。两位科学家基于不同的材料体系,都为量子点相关研究打下坚实基础。

    到了1993年,美国麻省理工学院的蒙吉·巴文迪在高效合成高质量量子点方面取得进一步突破。巴文迪的团队将能够形成纳米晶体的物质注入一种被加热的特殊溶剂中,并精确控制其中的饱和度,从而生成非常微小的晶体胚。团队再通过对溶剂温度的调整,最终生成了尺寸一致的量子点。这一方法相比以往更简单高效,让更多科研人员有机会探索量子点的特性和潜在应用。

    量子点相关技术发展至今,普通人可能最容易感知或接触到的应用莫过于它为液晶显示技术带来的提升。LED(发光二极管)背光光源的色彩经过量子点技术的转化,能够在屏幕上实现更好的红、绿、蓝三基色,带来更广的色域,一些厂家已经在此基础上推出QLED电视。随着元宇宙、虚拟现实、增强现实等技术的发展,未来各类电子设备上大大小小的显示屏也有望在量子点技术的助力下,给人们带来更好体验。

    在更专业的层面,量子点稳定的发光特性使其成为很好的荧光标记材料,在生物监测和医学成像方面有良好应用前景,医生有望借助量子点来高效发现患者体内的肿瘤组织。化学领域的研究人员可以利用量子点的催化特性来驱动化学反应。随着相关技术进一步成熟,量子点有望在更广阔领域发挥作用,比如在柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池和加密量子通信等领域。

    正如诺贝尔奖官网介绍材料中所说:“我们才刚刚开始探索量子点的潜力。”

    

2023年每项诺贝尔奖的奖金金额提升

2023年每项诺贝尔奖的奖金由去年的1000万瑞典克朗,增加到1100万瑞典克朗,约合人民币725万元。

化学奖是瑞典化学家、硝化甘油炸药发明人阿尔弗雷德·伯恩哈德·诺贝尔(Alfred Bernhard Nobel)在遗嘱中提到的设立奖项的研究领域之一。

1895年11月27日,诺贝尔在巴黎签署了他的第三份,也是最后一份遗嘱,将他留下了大部分财富用于设立一系列奖项,即诺贝尔奖。

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1901年首次颁发的诺贝尔奖奖章。图:Alexander Mahmoud

据诺贝尔奖官网公布的数据,1901年至2022年间,共有189 人获得诺贝尔化学奖。

迄今为止最年长的诺贝尔化学奖获得者是美国物理学家约翰·B·古迪纳夫(John B. Goodenough)。他在 2019 年获得化学奖时已经97岁了。他也是诺贝尔奖所有奖项类别中最年长的获奖者。

迄今为止,最年轻的诺贝尔化学奖获得者是法国物理学家弗雷德里克·约里奥( Frédéric Joliot)。与妻子艾琳·约里奥-居里(Irène Joliot-Curie)一同在1935年获得诺贝尔化学奖时,他年仅35岁。

英国生物化学家弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)和美国化学家巴里·夏普莱斯(K. Barry Sharpless)都曾两次获得诺贝尔化学奖。

量子点是当今纳米技术的重要组成部分

2023 年诺贝尔化学奖表彰了量子点的发现和发展。量子点是如此之小,以至于决定了它们独特的性质。

这些粒子具有独特的性质,现在电视屏幕和 LED 灯中都散发着来自它们的光。它们可以催化化学反应,其明亮的光线可以为外科医生照亮肿瘤组织。

研究人员目前主要利用量子点来创造彩色光。他们认为,在未来,量子点可以为柔性电子产品、微型传感器、更薄的太阳能电池做出贡献,甚至可能用于加密量子通信。

诺贝尔奖官方指出,量子点如今已是纳米技术“工具箱”的重要组成部分,而这三位得主都是探索纳米世界的先驱。

在 20 世纪 80 年代初,两位获奖者(Louis Brus 和 Alexei Ekimov)分别成功且独立制造出了“量子点”。这些量子点是如此之小,而其尺寸则决定了它们的性质。

1993 年,第三位诺奖得主 Moungi Bawendi 彻底革新了量子点的制造方法,使其质量达到极高的水平,这也是量子点当今得以在纳米技术中广泛使用的重要先决条件。


过去8年诺贝尔化学奖得主名单

2022年——美国和丹麦3位科学家Carolyn R. Bertozzi、Morten Meldal和K. Barry Sharpless获奖,获奖理由是“在点击化学和生物正交化学方面的发展”。

2021年——德国和美国科学家Benjamin List和David W.C. MacMillan获奖,获奖理由是“在不对称有机催化方面的发展”。

2020年——法国和美国科学家Emmanuelle Charpentier、Jennifer A. Doudna获奖,获奖理由是“开发出一种基因组编辑方法”。

2019年——美国和日本3位科学家John B Goodenough、M. Stanley Whittlingham和Akira Yoshino获奖,获奖理由是“在锂离子电池的发展方面作出的贡献”。

2018年——美国科学家Frances H. Arnoid获奖,获奖理由是“研究酶的定向进化”;另外两位获奖者是美国的George P. Smith和英国的Sir Gregory P. Winter,获奖理由是“研究缩氨酸和抗体的噬菌体展示技术”。

2017年——瑞士、美国和英国3位科学家Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson获奖,获奖理由是“研发出冷冻电镜,用于溶液中生物分子结构的高分辨率测定”。

2016年——法国、美国、荷兰3位科学家Jean-Pierre Sauvage、J. Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa获奖,获奖理由是“分子机器的设计与合成”。

2015年——瑞典、美国、土耳其3位科学家Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar获奖,获奖理由是“DNA修复的机制研究”。


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