2023年諾貝爾化學獎今天授予了三位科學家，以表彰他們發現的量子點。這些奈米顆粒非常微小，以至於它們的大小控制著它們的許多特性，例如顏色。這反過來又使它們在從大型彩色顯示器到能源生產等應用中具有不可估量的價值。
獲獎者是麻省理工學院的蒙吉·巴文迪、哥倫比亞大學的路易斯·布魯斯和紐約州奈米晶體技術公司的阿列克謝·埃基莫夫。這三位科學家將分享1100萬瑞典克朗，或近100萬美元的獎金。
量子點產生豐富的色彩，是當今大型電視螢幕中的常見材料。本質上，它們是微小的晶體，但更容易將它們中的每一個都視為一個壓縮球，直徑僅為幾奈米，其中包含電子。電子是量子點工作的關鍵。“如果你取出一個電子並將其放入一個小空間，它的波函式就會被壓縮，”這意味著電子的移動自由度降低了，諾貝爾化學委員會成員海納·林克在宣佈時說。壓縮使電子能夠儲存更多能量。
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電子以光子（光包）的形式釋放能量，這些光子會呈現出不同的顏色，具體取決於電子的壓縮程度。
這種變化是一種量子效應，是微觀領域中發生的神秘事物之一。因此，例如，最小的量子點會發射更多的短波長藍光，而不是長波長紅光。稍微增大量子點會改變顏色組成。
量子點還用於生物醫學成像——視覺化腫瘤的血管——以及太陽能電池，在太陽能電池中，它們可以放大面板產生的能量。改變它們的大小也可以改變其他特性，例如它們的熔點。
巴文迪在公告發布後接到瑞典皇家科學院的電話時說，他“非常驚訝……睏倦、震驚……並且非常榮幸”。世界其他地方可能沒有那麼驚訝。巴文迪的名字以及他的兩位同事的名字，在學院在正式宣佈前幾個小時發出的檔案中被洩露。這在通常高度組織化和保密的過程中是罕見的裂縫。學院秘書長漢斯·埃勒格倫表示，該組織不知道發生了什麼事。
然而，這一訊息傳出後，受到了其他化學家的掌聲。“這些非凡的奈米顆粒具有巨大的潛力，可以創造更小、更快、更智慧的裝置，提高太陽能電池的效率和電視螢幕的亮度，”英國南安普頓大學皇家化學學會主席兼無機化學家吉爾·裡德在最近的一份宣告中說。諾貝爾獎“真的令人興奮，並表明化學如何可以用來解決一系列挑戰，”她說。
雖然量子效應通常被認為是物理學的領域，但化學家兼美國化學學會主席朱迪思·喬丹強烈認為量子點是化學產品。“我們擁有電子。它們存在於每個原子上，”她說。雖然物理學家從理論上推匯出了將電子限制在微小空間中的影響，但“是化學家將它們轉移到原子新穎的結構中，他們弄清楚瞭如何在實驗室中以及在製造環境中實際生產它們。”
量子點的概念最早出現在 20 世紀 30 年代的理論中，然後在幾十年裡停滯不前。但在 20 世紀 80 年代初期，埃基莫夫將氯化銅奈米顆粒放入玻璃中，並表明顆粒尺寸透過量子效應改變了玻璃的顏色。幾年後，布魯斯用自由漂浮在流體中的奈米顆粒實現了類似的顏色變化。
1993 年，巴文迪開發了一種標準化量子點生產的方法，這為許多其他實驗室和公司打開了局面。“他讓事情變得容易，”田納西大學諾克斯維爾分校從事奈米技術研究的化學家裡戈貝託·阿德溫庫拉說。巴文迪的實驗室創造了一種其他物質的“湯”，這些物質附著在量子點種子上並精確調節它們的生長。阿德溫庫拉說，這使得種子在化學術語中非常“可調”。他補充說，這是一種控制其大小的簡單方法，從而調整它們以產生不同水平的能量。
除了大螢幕和太陽能電池板外，量子點還用於調整 LED 燈的顏色，使其不那麼刺眼。醫學科學家也在探索它們在人體中用作難以找到的分子感測器和探針的用途。公告發布後，巴文迪說“這僅僅是個開始”。