2023年，三位杰出的科學(xué)家獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诩{米技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新。他們分別是麻省理工學(xué)院的Moungi Bawendi博士、哥倫比亞大學(xué)的Louis Brus博士，以及納米晶技術(shù)公司前首席科學(xué)家Alexei Ekimov博士。他們因發(fā)現(xiàn)和合成了被稱為量子點(diǎn)的微小納米粒子而共同獲獎(jiǎng)，這些量子點(diǎn)現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

量子點(diǎn)是微小的納米粒子，其大小決定了它們的“迷人和不尋常的特性”，包括顏色。在宣布時(shí)指出，Ekimov和Brus首次觀察到了玻璃中和溶液中自由漂浮的量子點(diǎn)的效應(yīng)，而Bawendi則發(fā)明了一種制備“完美的特定大小和高質(zhì)量納米粒子”的方法，這使得這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域，未來(lái)還有更多的應(yīng)用潛力。

這一年化學(xué)獎(jiǎng)所表彰的發(fā)現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)Ekimov首次在有色玻璃中創(chuàng)建了與尺寸相關(guān)的量子效應(yīng)。幾年后，Brus在溶液中的粒子中證明了與尺寸相關(guān)的量子效應(yīng)。

這些發(fā)現(xiàn)特別引人注目，因?yàn)楸M管物理學(xué)家理論上知道尺寸相關(guān)的量子效應(yīng)可能會(huì)出現(xiàn)在納米粒子中，但在納米維度中進(jìn)行雕刻是困難的，這使得在實(shí)際中制備量子點(diǎn)變得具有挑戰(zhàn)性。研究人員在20世紀(jì)70年代使用超高真空和接近絕對(duì)零度的溫度制造了納米粒子，建立在物理學(xué)家Herbert Frohlich在1937年預(yù)測(cè)了納米粒子行為的基礎(chǔ)上。然而，這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜性使得這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中幾乎不可能。

Ekimov在博士學(xué)位期間研究了半導(dǎo)體，并了解了用于評(píng)估半導(dǎo)體材料質(zhì)量的光學(xué)方法。在對(duì)有色玻璃進(jìn)行一些初步實(shí)驗(yàn)后，他開始制備含有氯化銅的玻璃。對(duì)他制造的玻璃進(jìn)行X射線分析時(shí)，顯示出范圍從2到30納米的小銅晶體。他還發(fā)現(xiàn)，玻璃的光吸收受顆粒大小的影響，較大的顆粒吸收與化合物氯化銅通常相同的光，而較小的顆粒吸收藍(lán)光。他在1981年在一個(gè)對(duì)外國(guó)科學(xué)家不可訪問(wèn)的蘇聯(lián)科學(xué)期刊上發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)。

與Ekimov的工作毫不知情，Brus在貝爾實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立研究了這個(gè)問(wèn)題。他使用太陽(yáng)能來(lái)與溶液中的硫化鎘粒子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這些粒子捕獲并利用光的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。他注意到粒子的光學(xué)特性會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，懷疑這是因?yàn)樗鼈冏兊酶蟆Ｋㄟ^(guò)比較不同尺寸的硫化鎘粒子來(lái)測(cè)試自己的想法。與Ekimov一樣，他發(fā)現(xiàn)較大的顆粒吸收與化合物（在這種情況下是硫化鎘）相同波長(zhǎng)的光，而較小的顆粒吸收藍(lán)光。他在1983年發(fā)表了他的發(fā)現(xiàn)。

然而，Brus使用的方法導(dǎo)致了不均勻尺寸的粒子和不可預(yù)測(cè)的質(zhì)量，這阻礙了進(jìn)一步的發(fā)展。然后，在1993年，領(lǐng)域發(fā)生了變化，當(dāng)時(shí)Bawendi開發(fā)了一種解決這個(gè)問(wèn)題的方法，制備了高質(zhì)量的量子點(diǎn)，為這項(xiàng)技術(shù)最終被廣泛應(yīng)用鋪平了道路。他的努力始于1988年，在Brus實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后培訓(xùn)時(shí)。那里的科學(xué)家們正在嘗試各種方式來(lái)制備有組織的納米晶體。Bawendi在離開Brus實(shí)驗(yàn)室前往麻省理工學(xué)院時(shí)繼續(xù)研究這個(gè)問(wèn)題。就是在那里，他通過(guò)將形成納米晶體的物質(zhì)注入加熱的溶劑中取得了突破。通過(guò)調(diào)整溶液的溫度，Bawendi的團(tuán)隊(duì)能夠生長(zhǎng)出具有特定尺寸和光滑表面的納米晶體。

今天，量子點(diǎn)被廣泛用于電視和LED燈，也用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如用于腫瘤組織切除手術(shù)。去年在國(guó)際納米醫(yī)學(xué)雜志上發(fā)表的一篇論文討論了量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)中的多個(gè)臨床應(yīng)用，如細(xì)胞成像、用于治療各種實(shí)體腫瘤的光動(dòng)力療法以及藥物輸送載體。該論文還強(qiáng)調(diào)了涉及使用量子點(diǎn)的各種臨床試驗(yàn)，包括針對(duì)乳腺癌、皮膚癌和I型糖尿病的試驗(yàn)。2019年，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員發(fā)表了一篇論文，描述了一種使用量子點(diǎn)來(lái)直接在皮膚中輸送疫苗并編碼疫苗歷史的微針平臺(tái)。

今年的化學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)哂芍Z貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在斯德哥爾摩宣布。然而，在正式宣布之前，所有三位科學(xué)家的名字都被泄露給了瑞典媒體。截止到本次報(bào)道時(shí)，尚不清楚這一泄漏是如何發(fā)生的，學(xué)院在新聞發(fā)布會(huì)上拒絕回答有關(guān)泄漏的問(wèn)題。

編輯：王洪

排版：李麗