因为量子点的发现与合成的工作，Louis E. Brus和Aleksey Yekimov，Moungi Bawendi共同获得2023年诺贝尔化学奖。图源：www.chem.columbia.edu

　　      美国哥伦比亚大学教授路易斯·布鲁斯（Louis Brus）因量子点的工作获得2023年的诺贝尔化学奖。他向《自然-纳米技术》杂志讲述了他第一次接触胶体量子点的经历，这是他获得2023年诺贝尔化学奖的旅程的开始。他还为青年科学家提出了重要建议。

　　Q：我想首先请问一下，您在发现量子点的尺寸效应之前，您进行研究的动机是什么？当您1982年第一次在胶体的吸收光谱中发现反常行为时，您当时在研究什么？

　　Louis：年轻的时候，我一直在研究基质隔离光谱学：将小分子放入4K的稀有气体基质中，然后对其进行光谱学研究。这很有意思，但我非常清楚它不是主流化学。所以，我试着做一些会让更多化学家感兴趣的事情，我开始思索有机光化学这方面的技术。我开发了一种观察化学中间体的时间分辨拉曼光谱学方法：其基本原理是一个激光脉冲会引发光化学反应，并产生某种激发态或自由基；然后再用第二个脉冲获取中间体的拉曼光谱，获得分子结构随着时间演变的信息。

　　实际上，我当时正在阅读Nick Turro的一篇综述，因为他一直在研究水中的胶束体系，而水是测量拉曼光谱的良好溶剂，因为水的拉曼背景非常低。我们会将东西溶解在胶束中，试着对有机分子进行光化学研究。在同一篇文章中，他有一节是关于半导体胶体的。那是我第一次接触这个课题。

　　我发现这会很有意思，所以我开始思考如何使用时间分辨拉曼方法来研究一些在半导体颗粒表面被还原或氧化的分子。我就是这样开始的。Turro的文章和其他资源都有说明合成半导体胶体的方法。

　　于是我复现了这些合成方法，然后注意到在一些样品中，胶体的带隙大于其对应体材料的带隙。这是一个惊喜。我们测量了吸收光谱，发现它有所不同。有时我在第一天制作胶体，它的吸收光谱会随着时间的推移而发生偏移。第二天第三天它的吸收光谱会发生红移。这个吸收光谱在带隙的边缘有一个“凸起”，而这在大晶体或体材料中并不存在。我在想，这到底是什么？我当时完全没有答案。

　　Q：您最初是如何解释这个观测结果的？

　　Louis：我很久以后才想明白这个问题。我首先想到的是，也许这个粒子是非化学计量化合物，某种原因导致合成出了问题。最后我们与大楼里的电子显微镜专家合作，发现它的确是结晶的硫化镉，只是很小。

　　奥斯瓦尔德熟化效应预测，晶粒的尺寸会随时间推移而增加，所以我花了一些时间试图弄清楚为什么带隙会发生偏移，因为据我所知，没有人看到过这一点。然后我花了一些时间思考相关的电磁理论。

　　在电磁理论中的米氏理论说明散射光谱存在尺寸依赖性，也就是说，当散射体的直径与光的波长大致相同时将发生米氏散射，但这些粒子的尺寸是五十埃，而光的波长是五千埃，因此很明显，在这个极限下，从麦克斯韦方程组的角度出发，吸收光谱不应该随粒子尺寸而变化。

　　所以这意味着是粒子的波函数随着尺寸发生了变化。这是一种量子力学效应。于是我问了实验室的很多朋友，发现以前在超晶格中而非微粒体系中也看到过类似现象。

　　在那种体系中，你能得到在高真空中搭建的很薄的半导体层（砷化镓和砷化铝镓）。你通过制备出一个非常薄的层从而在一个维度上得到了量子尺寸效应。而我的是三个维度上存在量子尺寸效应。微粒在边界条件方面会更加复杂因为晶格发生了截断。这意味着在那里存在表面态，它们会使整个问题复杂化。此外，还有介电性质的不连续性：半导体中存在高介电常数而溶剂中存在低介电常数，这会产生极化能量和极化力。我必须从头开始解决这个问题。

　　Q：您如何发现这是个需要解决的重要问题？

　　Louis：我很快就发现了，这里的关键是从非常小的分子的电子行为到半导体块状晶体行为的转变。这只是基础研究，这个基本的科学认识在未来的电子行业中将十分重要。我当时在AT&T工作，即之前的贝尔实验室。所以，对于实验室来说，这是一个很好的基础研究课题，这能让我们了解随着半导体器件尺寸变小其性能会如何变化，而芯片上的晶体管一直在变小。我的领导认可了这一点。我的意思是，经过我和他们的解释，他们很快就明白了这是未来的一个很好的研究方向。所以他们让我继续研究。这大概是在1982年末或1983年。

　　Q：您肯定在那个时候改变了研究重点，从研究吸附分子到研究基底？

　　Louis：我曾在一段时间内试着同时做这两个项目，然后我意识到这对我来说太多了。在学术生涯中，没有其他人在研究这些小颗粒，所以我想对我来说，全职研究这些小颗粒可能更好。这大概是1985年。第一个招进来做这方面研究的博士后是Paul Alivisatos，是在1986年。在他来之前，我独自工作了三年，然后我们开始尝试改进合成，制造更小的颗粒，并将氧气排除在合成之外。我们后来与一位年轻的合成化学家进行了深度合作，他的背景很适合这个项目。他就是Michael Steigerwald。于是我们三个人开始在合成上进行研究。

　　Q：您是如何成功制备出更好的粒子的？

　　Louis：最初合成的胶体真的很糟糕。它们有尺寸分布、形状分布、表面化学的不同分布。它们的荧光非常弱，因为它们缺陷太多。得到的数据不好令我很担心。我们会对这些粒子进行花哨的激光实验和表征，但很明显，它们几乎不是晶体。我与Alivisatos工作了两年，然后与Moungi Bawendi工作了两年，共同研究硒化镉型微粒的液相合成，并一步一步、一年一年地改进。

　　1988年开始有了进展，当时我们首先在反胶束中制备出这些微粒。我们在每个胶束内得到一个纳米晶体，然后发现它们在胶束内部是具有化学活性的，可以通过添加苯基（三甲基硅烷基）或类似的东西使其在微粒的表面成键，将微粒从亲水性变为疏水性，然后它会从溶液中析出。所以烧杯底部会产生一种粉末，即纳米晶体。

　　然后我们发现我们可以干燥它，所以我们基本上分离了反应产物。

　　Q：但是您对这种方法不满意，对吗？

　　Louis：我并不满意，它是一种纳米晶体粉末，但仍然具有大小和形状的分布。当时，我们也尝试制造核壳粒子。我第一次尝试时，首先得到了硒化镉微粒的胶束溶液，然后需要慢慢加入锌和硫的试剂。它们不会单独成核，而是会在胶束中的硒化镉颗粒的表面生长，这样将会得到核壳结构：外面是硫化锌，里面是硒化镉。这很有趣。它有覆盖的作用，它消除了镉和硒化物上大部分的表面态，荧光增强了。

　　但这基本上是室温下的制备过程。

　　然后我们试图将这些纳米颗粒溶解在路易斯碱溶剂中，我们当时的想法是胶体的表面在镉或锌上存在有空的s轨道，如果你放入一些带有孤对电子或路易斯碱的东西，它将会在表面上成键，并倾向于将纳米颗粒拉回到溶液中。因此，不同于在烧杯底部出现粉末，你将会重新得到分散的纳米颗粒。

　　我们就这样做了，并且成功了。然后我们决定，如果我们回流它，它将会溶解得更好，所以我们在纳米颗粒已经制成并回流半小时后将其溶解在吡啶中，然后再次冷却。当我们观察它时，颗粒的质量有所提高：它有更好的吸收光谱，更好的X射线粉末图谱。所以这是一个惊人的发现。

　　我真的没有过多地考虑过温度的影响——我也许应该考虑一下——但从中可以清楚地看出，在高温下能够制备出更好的晶体。因此，我们开始使用不同的路易斯碱溶剂并加热到更高的温度，我认为我们在260°C下使用了4-乙基吡啶或类似的东西效果更好。因此，我们走上了使用这些高沸点路易斯碱溶剂的道路。

　　这就是当Bawendi去麻省理工学院做助理教授时我们的情况。这种合成方法尚未完全准备好发表。这种合成有一个偶然性的问题：我们不太明白为什么它在某些日子里起作用，而在其他日子里却不行。

　　Q：那您觉得您的主要贡献是您早期提出的理论还是量子点的合成？

　　Louis：基本上是两者的结合。但理论部分相对容易。我能够完成。

　　量子尺寸效应并不难，它已经在一维半导体薄膜中完成，并且我对静电学有足够的了解，可以自己独立计算出极化能量，这很重要，但从科学上讲，制备高质量的晶粒比基于颗粒的理论工作更重要。

　　因此，我们每花一个小时做光谱学或做理论，我可能就花五到八个小时做合成，试图做得更好。这很困难，但没有其他人去做这件事。我们进行合成的原因是我们必须有更好的颗粒，但没有人关心这些，当然，大楼里的合成化学家（除了Steigerwald）有自己的项目，他们不会特别致力于这个。他们并不真正理解这很重要，所以我认为我们所做的主要事情是努力寻找制备更好颗粒的方法，更小、更高结晶度的颗粒。这是一个具有创造性的工作。

　　Q：这是一个鼓舞人心的故事，感谢您的分享。您想向年轻的科学家提供哪些重要的职业生涯建议吗？

　　Louis：我认为要成为一名优秀的科学家，你必须很聪明，但你不必是一个天才。你只需要专心致志。你必须非常感兴趣，这样它既是你的爱好，也是你的工作。它必须是属于你的研究。

　　星期六的早上，即使没有要求，你也想去实验室看看，因为那时很安静，没有人打扰。你可以不受干扰地工作，真正做出进步。这就是你需要的态度。

　　另一件事是，我们经常会被自己的研究背景所困。你被训练成一位有机化学家或固态物理学家，所以你知道这些领域发生了什么，但你不知道其他领域发生了什么。你无法认识这之间的联系。

　　因此，终身学习非常重要。每周花一个小时阅读与你的研究无关的文章，试图教会自己，并询问在其他课题组工作的同事们为什么他们要做这些事，并且为什么这对他们来说非常重要。

　　科学会奖励那些在新领域中处于领先地位的人，并且如果从长远来看这个领域是十分重要的。要做到这一点，你需要找到一些其他人认为不太重要的课题，而你能感觉到这些课题的重要性。你必须做好准备，或多或少会独自工作。你的好朋友会质疑你。如果世界上有五十个课题组在做一个项目，那么它对你来说真的是没有什么可产出的，在他们已经完成的事情之外，你没有什么可以贡献的，但如果你有一个独特的课题，那就不同了。所以，要一直寻找一个更好的问题。

　　所有这些因素都造就了一名优秀的科学家。

　　Q：这在您那个时代是正确的，现在可能也是正确的？

　　Louis：是的，这个关于胶体的工作十分特殊。我有很多朋友是物理化学家，他们在不同的系统上做光谱学，但他们一开始无法理解我为什么要研究胶体。这似乎很奇怪。在这方面我付出了很多，走访全国就这个问题发表演讲，这样我就可以试图说服化学界的同仁这是一个好问题，而且它是化学的一部分，而不是物理学的一部分。

　　原文以A bump worthy of a Nobel Prize标题发表在2023年12月7日《自然-纳米技术》的Q&A板块上。本文首发于微信公众号“Nature Portfolio”,《赛先生》获授权转载中文译文。

　　本文由施普林格·自然上海办公室负责翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。欢迎转发至朋友圈，如需转载，请邮件China@nature.com。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。