MIT新晋诺奖得主彻底改变量子点制造方式，革新中的医学诊断、药物设计方法让商业化成为可能

来源：诺贝尔奖官方/生辉 | 发布时间：2023-10-09

摘要：2023 年诺贝尔化学奖落下帷幕，本次授予了“发现和合成量子点”。三名科学家 Moungi G.Bawendi、Louis E. Brus 和 Alexei l. Ekimov 共享本届诺贝尔化学奖。这三位获奖者都是探索纳米世界的先驱人物。Louis E. Brus 和 Alexei l. Ekimov 各自独立成功构建了量子点（quantum dots）；后续，Moungi G.Bawendi 彻底改变了量子点的制造方法，他开发出了质量极高的量子点，这是量子点在当今纳米技术中应用的关键所在。

2023 年诺贝尔化学奖落下帷幕，本次授予了“发现和合成量子点”。三名科学家 Moungi G.Bawendi、Louis E. Brus 和 Alexei l. Ekimov 共享本届诺贝尔化学奖。

这三位获奖者都是探索纳米世界的先驱人物。Louis E. Brus 和 Alexei l. Ekimov 各自独立成功构建了量子点（quantum dots）；后续，Moungi G.Bawendi 彻底改变了量子点的制造方法，他开发出了质量极高的量子点，这是量子点在当今纳米技术中应用的关键所在。

量子点是一类微小颗粒或纳米晶体，即一种直径在 2-10 纳米（10-50 个原子）之间的半导体材料。瑞典皇家科学院在颁奖词中指出，量子点的发现和合成为纳米技术的发展播下了重要的种子。消息公布后，诺贝尔化学奖委员会委员 Heiner Linke 在接受记者采访时也表示，“量子点可以被视为整个纳米技术领域的一个里程碑。”

根据诺贝尔化学奖官方新闻稿中的描述，量子点现已成为纳米技术工具箱中的重要组成部分，并应用到了从物理、化学到医学等多个学科领域。量子点点亮了基于 QLED 技术的计算机显示器和电视屏幕，为一些 LED 灯的光线增添了细微差别，可帮助科学家绘制生物组织图谱，还可以指导外科医生切除肿瘤组织等…
在新闻发布会上，Moungi G.Bawendi 在电话连线中也表示，自己对得奖感到惊讶、昏昏沉沉、震惊……并且非常荣幸。“毫无疑问，这一领域还有很多令人兴奋的工作要做。”

Moungi G.Bawendi 是一名突尼斯裔美国化学家，他出生于法国，后移民至美国，现年 62 岁。他现在是麻省理工学院的 Lester Wolfe 教授，曾入选科睿唯安公布的 2020 年度“引文桂冠奖”名单，代表性研究工作是生产出了高质量的量子点。值得一提的是，他在博士后期间的导师是本次同样获得诺贝尔化学奖的 Louis E. Brus，他在诺奖的电话采访中也尤其感谢了 Louis E. Brus 教授。Moungi G.Bawendi 的父亲是突尼斯裔数学家 Mohammed Salah Baouendi，其父曾在普渡大学数学系工作，还曾担任加州大学圣地亚哥分校的杰出数学教授。

1.量子点：点亮纳米技术，已实现商业化

量子点是一种非常微小的纳米颗粒，通常由半导体材料制成，例如石墨烯、亚硒酸盐或金属硫化物。根据诺贝尔化学奖官方的描述，就其尺寸大小而言，以足球作为类比物，量子点之于足球就像足球之于地球。
这是一种不同于分子的新型材料，其尺寸决定了量子点的特性。比如说，蓝色量子点和红色量子点可以由完全相同的材料制成，唯一的区别是粒子本身的大小，蓝色量子点比红色量子点小。因此，通过调整量子点的材料或尺寸大小，化学家可以改变其特性（包括光学、电学、磁性，甚至熔点等等）以用于多种场景中。

（来源：瑞典皇家科学院官网）

然而，构建出可用于商业化的量子点则经历了漫长的研究探索之旅。这一概念最早可以追溯到 20 世纪 30 年代，1937 年，物理学家 Herbert Fröhlich 提出微小颗粒的材料特性可能与尺寸相关，颗粒的尺寸会影响颜色等物理特性。不过，几十年来这一设想只是停留在推测层面，无法通过实验测试验证，主要是由于当时的条件还无法生产如此微小的粒子。
转折出现在 20 世纪 80 年代，Alexei l. Ekimov 和 Louis E. Brus 各自独立成功发现并合成了量子点。Alexei l. Ekimov 通过系统地生产用氯化铜着色的玻璃，证明玻璃的光吸收受到颗粒尺寸的影响，并很快观察到了这种依赖于尺寸的量子效应。这是科学家第一次成功生产出量子点。1981 年，他在苏联科学期刊上发表了这一发现。

（来源：瑞典皇家科学院官网）

当时，受到政治等因素影响，这一科学发现的影响力尚未传播到美国。与此同时，另一名获奖者 Louis E. Brus 并不知道 Alexei l. Ekimov 的这一发现。彼时，他在美国贝尔实验室工作，在利用太阳能实现化学反应过程中，机缘巧合之下发现了在溶液中自由漂浮的量子点。这也使他成为首个在溶液中自由漂浮的粒子中发现尺寸依赖性量子效应的科学家。1983 年  Louis E. Brus 发表了这一发现。

当发现这一现象之后，科研人员明白自己实际上正在研究一种全新的材料。这就像元素周期表获得了第三个维度一样，元素的性质不再只受到电子层数量和电子数量的影响，而且在纳米水平上，尺寸大小也很重要。

不过，当时科学家们也面临着一个问题，即这两名科学家使用的技术还无法生成出尺寸均匀的量子点。这一问题如果无法解决，会严重阻碍量子点的研究和发展。

1993 年，第三位获奖者 Moungi G.Bawendi 解决了量子点生产难点，其研究团队首先报告了一种合成量子点的方法，同时能够精确控制尺寸。
他于 1988 年在 Louis E. Brus 实验室从事博士后研究时开始优化生产量子点的方法，当时实验室正在进行大量工作改进生产方法。后续，他加入 MIT 担任研究负责人，继续专注于生产更高质量的纳米粒子。5 年后，该研究团队取得了重大突破，通过改变量子点结晶的条件成功生产出了具有特定尺寸大小的纳米晶体，期间溶剂也使得晶体表面光滑均匀。

（来源：瑞典皇家科学院官网）

根据官方的说法，使用这种方法，研究团队生产出了近乎完美的纳米晶体，且这些晶体具有独特的量子效应。这也是后续量子点实现商业化应用的重要先决条件。“这种生产方法简单易操作，成为了一种具有革命性的生产方法，彻底改变了量子点的制造方法。因此，吸引了越来越多的化学家开始研究纳米技术，探索量子点的独特性质。”

30 年后，量子点已成为了纳米技术工具箱中的重要组成部分，并出现应用在了商业产品中。比方说，量子点的发光特性已经用于了基于 QLED 技术的计算机和电视屏幕，LED 灯，以及生物化学和医学中。

2.可用于医学诊断和药物设计，一切才刚刚开始

三位诺贝尔化学奖得主在量子点领域的研究工作为纳米技术奠定了基础，其中，Moungi G.Bawendi 开发的制造方法更使商业化制造量子点成为可能，为纳米晶体打开了应用的大门。量子点有望成为实现大规模应用的四类纳米材料之一。

其应用领域也远不止电视和显示器，量子点在催化、光子、信息存储、成像、医学或传感等领域都应用广泛。以生物医药领域为例，量子点已经用于实验室和医院的诊断和检测工具，以及设计抗癌新药。

公开资料显示，量子点使研究人员能够研究单个分子水平的细胞变化过程，这可以显著改善癌症等疾病的诊断和治疗。其正在迅速成为在分子水平上辨别细胞功能的关键诊断工具。比方说，量子点可以发射全光谱，更加明亮，随着时间的推移几乎不会发生衰减。这使其优于传统的荧光染料，这些荧光染料往往会降低效率，减少标记基团的使用寿命。

研究人员还可以将量子点附着在生物分子上绘制细胞和器官图谱，也可以领用量子点的催化特性加速化学反应。一些医生也已经开始研究利用量子点追踪体内肿瘤组织。

Moungi G.Bawendi 实验室一直在探索量子点在生物系统中的应用。该研究团队正在与许多生物学和医学团队合作，设计能够应对各种特定挑战的纳米晶体探针，包括选择性与细胞表面上的单个受体结合以用于跟踪应用的纳米晶体，构建可感知分析物以报告浓度的“智能”纳米晶体等等。

根据 MIT 发布的新闻稿，近年来，Moungi G.Bawendi 实验室开发了一种基于量子点的光谱仪，这种光谱仪尺寸小，可以安装在智能手机摄像头中。此类设备可用于诊断疾病，尤其是检测皮肤状况，也可以检测环境污染物。

领域内已经有相关公司落地转化量子点，将量子点应用于医学诊断和检测。一家成立于 1998 年的量子点公司 Quantum Dot Corporation 获得了伯克利实验室 Paul Alivisatos 博士、Shimon Weiss 及其同事开发的纳米晶体技术的许可，实现了同时对多个细胞结构进行颜色编码识别。此前，该公司将产品初步应用于眼科和癌症成像，后续应用于加快药物开发进程。这家公司早在2005年即被 Invitrogen Corporation 收购，Invitrogen Corporation 现为 Life Technologies Corporation。

Moungi G.Bawendi 还与哈佛大学的 Rakesh Jain 教授合作，两名科学家认为量子点或许能用来设计药物，帮助药物递送到肿瘤附近的血管，精准攻击癌细胞。不过，也需要注意一点，一些量子点需要用重金属制作，毒性可能是限制其在人体内应用的一个大问题。因此，需要开发出无毒且生物相容性良好的量子点材料。

通稿中还提到，“量子点正在为人类带来更多益处，而现在我们才刚刚开始探索量子点的潜力。未来，量子点还可以为开发更精确的医学诊断工具和治疗方法、柔性电子产品、微型传感器、更纤薄的太阳能电池以及加密量子通信等方面做出贡献。