「很物理」的諾貝爾化學獎 為「奈米」技術注入「色彩」的科學家們
本篇文章部分轉載並參考東海大學應物系施奇廷教授的原話：
2023年的諾貝爾化學獎，頒給了三位美國學者：MIT的Moungi G. Bawendi、哥倫比亞大學的Louis E. Brus，以及蘇聯出身，目前在紐約的一家私人企業「奈米晶體科技公司」（Nanocrystal Technology Inc.）任職的Alexei I. Ekimov。
得獎的原因是他們「發現並且合成了量子點（quantum dot）」。
不過這個怎麼看都是個「很物理」的貢獻，也讓人聯想起一百多年前（1908）拉塞福（Ernest Rutherford）以物理學家的身分拿到了諾貝爾化學獎的往事。
另有一說：因為拉塞福太過臭屁，曾經大放厥詞：「世界上的科學可以分為兩種，一種叫做『物理』，其他的叫做『集郵』。」意思是說只有物理才有深入探究自然界的本質，其他科學都只是在觀察現象，把看到的東西像集郵一樣收集起來而已。這種說法引起其他領域科學家的不爽，但是他的成就又非頒給他諾貝爾獎不可，所以瑞典那邊就故頒給化學獎：「恭喜你得了個諾貝爾集郵獎嘿」整他一下。當然瑞典皇家科學院不可能把諾貝爾獎當兒戲，所以這種說法鐵定只是大家在開玩笑。
什麼是「量子點」？這東西為什麼重要到要頒個諾貝爾獎給他們？
大家對於物理學家的看法經常是「很會算、什麼都會算」還有「很會做實驗」。不過其實真的從事物理研究的人都知道，物理學能算的東西很有限：我們會算「一個東西如何運動」的精確解；我們會算「兩個會互相作用的東西如何運動」的精確解。但是「三個會互相作用的東西如何運動」，我們就不會算了，所以才會有「三體」這個小說，「三體問題」難到可以拿來當小說的梗了。
三個不會算，當然四個、五個、六個……也都不會。
「物理學家的程度只有這樣嗎？」當然不是，當你的粒子數變成「接近無窮多個」時，物理學家們又會算了。
以前我們知道一個原子的性質——當然，一個原子裡面的粒子數很多，應該屬於前述「我們不會算」的那種，但是科學家使出渾身解數，用各種方式取得「非常非常接近正確答案」的近似結果，雖然不是真正的解，但也很接近了，而且也符合實驗的結果。這裡的「答案」指的是原子的量子狀態（能階與波函數）。
然後兩個原子結合起來變成分子，我們可以用我們對一顆原子的了解，很精確的「湊出非常接近正確的答案」。因此，我們對雙原子分子的了解也算是挺正確的。
隨著分子越來越大，包含的原子越來越多，這些計算就越來越困難，不過由於分子是靠原子之間的化學鍵結合起來的，所以正確的了解各種化學鍵，就能抓到分子的主要特性，其他的細節相對來講不太重要。
但是當原子變成無窮多，而且規則排列時，就成了「晶體」，我們又可以把它的巨觀性質算得很準了。但是世界上的粒子數是有限的，我們怎能宣稱我們很了解晶體呢？因為雖然數字有限，但是也夠大了，比如說197公克的黃金，裡面就有6乘以10的23次方個之多的金原子，雖然有限，但是也大到我們用「無限多」的假設算出來也很準的程度了。
上面說的這些，就對應到我們物理學裡面的「原子物理」、「分子物理」、「固態物理」這些領域。
我們在問物質的特性的時候，會先問：這個物質是處於原子狀態，還是分子狀態，還是固體狀態；然後去翻一下「材料物理化學特性手冊」之類的書（或是查維基百科也可以），比如說剛才的例子「黃金」，如果是固體狀態的話，就會得到「金黃色明亮光澤、密度很高、柔軟、具有延展性、易導電…」如果是「單顆金原子」，我們就會知道它的電子組態、能階以及光譜這些性質。「單顆金原子」跟「固體黃金」是同一種原子，但是性質截然不同，不過兩種我們都知道。
知道了這些材料的特性，我們就可以知道什麼材料適合拿來做什麼用途，是個簡單明瞭，很容易理解與操作的世界。
不過這個「一個粒子、兩個粒子、用化學鍵接起來的幾個粒子，無窮多個規則排列的粒子」的架構，中間有個「失落的環節」，就是「一沱原子，沒有化學鍵連結成分子，也沒有多到接近無窮多變成晶體」這種不上不下的數量時，它們的特性到底會比較像「單顆原子」？還是像「無窮多顆排起來的晶體」？沒人知道，而且因為反正這種東西做出來往往不穩定，也不知道做了以後要幹嘛，所以大家也不是太在乎。
這個失落的環節，就是大家現在耳熟能詳，甚至連詐騙集團也愛用的「奈米材料」。這次得獎的主題「量子點」也是奈米材料的一種。
Alexei Ekimov注意到這個現象，就開始進行有系統的研究，他採用單一種雜質「氯化銅」，然後用不同的製程（加熱溫度、時間等條件）來製造玻璃，的確可以得到不同的顏色，而且在嚴格的控制之下，確認不是因為其他雜質造成的。對這些不同顏色的玻璃樣品進行了X光繞射，確認了玻璃內部的氯化銅形成了奈米尺度等級的晶體顆粒（也就是量子點）。而玻璃的顏色跟氯化銅晶體顆粒的大小有關，大的顆粒呈現的顏色跟固體的氯化銅一樣，但是隨著顆粒變小，顏色會逐漸偏藍。
「同種材料，顆粒大小不同，顏色就會不同」這件事，除了可以用在傳統工藝之外，有什麼了不起的？
這其實非常重要，因為「顏色不同」，就代表材料的吸收光譜不同，也就是電子能階結構與波函數不同，這就代表「所有」的物理化學特性都會不同！
這顛覆了我們對材料特性的認識：每一種固體材料，都有它們獨特且不變物理化學性質。這下子，我們只要操弄材料顆粒的大小，就幾乎可以隨心所欲的操控材料的特性，讓這個材料變得多才多藝起來。我們可以黃金導電也可以讓它變絕緣體，可以讓它呈現金黃色、也可以是藍色綠色紅色，我們唯一要做的事情就是：在奈米的尺度上，改變顆粒的大小。
在這個延長線上，一系列奈米科技的研究蓬勃發展，也已經實用化、商品化，例如正在看著這篇文章的各位讀者，您眼前的電腦螢幕可能就是所謂的QLED量子點螢幕。除此之外，也已經應用在能源、醫療、環境各領域。
以量子點為起點的奈米科技，已經相當程度的改變了現代社會的形貌。
本篇文章感謝施奇廷教授解說，並轉載其部分原文原話。
東海大學物理系於民國四十四年東海大學創辦時即成立，歷年來培育許多傑出物理人才，其社群臉書更是分享許多即時，幽默且不失正確性的科學資訊，歡迎前往關注支持台灣的科普傳播。
更多科學與科技新聞都可以直接上 明日科學網 http://www.tomorrowsci.com
參考出處:
1.諾貝爾獎官網
延伸閱讀：
