2023年诺贝尔化学奖并不是第一个因纳米技术研究而获得的诺贝尔奖。但这也许是与这一荣誉相关的最丰富多彩的技术应用。
今年的奖项表彰了MoungiBawendi、LouisBrus和AlexeiEkimov在量子点的发现和开发方面的贡献。多年来，这些精确构造的纳米尺寸颗粒(直径仅为人类头发宽度的千分之几)一直是纳米技术宣传和演示的宠儿。作为纳米技术的研究人员和顾问，我什至自己在与开发人员、政策制定者、倡导团体和其他人谈论该技术的前景和危险时也使用过它们。
纳米技术的起源早于Bawendi、Brus和Ekimov对量子点的研究——物理学家RichardFeynman早在1959年就推测通过纳米级工程可以实现什么，而像ErikDrexler这样的工程师则在推测原子级精确制造的可能性。20世纪80年代。然而，今年的三位诺贝尔奖获得者是现代纳米技术最早浪潮的一部分，研究人员开始将材料科学的突破付诸实际应用。
量子点发出明亮的荧光：它们吸收一种颜色的光，并几乎立即将其重新发射为另一种颜色。当用广谱光照射时，一小瓶量子点会发出单一鲜艳的颜色。然而，它们的特别之处在于它们的颜色取决于它们的大小。把它们变小，你就会得到强烈的蓝色。让它们变得更大，尽管仍然是纳米级的，并且颜色变成红色。
这一特性导致了许多引人注目的图像，其中包含一排排装有不同尺寸量子点的小瓶，从一端引人注目的蓝色，经过绿色和橙色，再到另一端的鲜艳红色。纳米技术力量的展示如此引人注目，以至于在2000年代初期，量子点成为纳米技术奇异性和新颖性的标志。
但是，当然，量子点不仅仅是一种视觉上有吸引力的客厅把戏。他们证明，物质和光之间独特、可控和有用的相互作用可以通过设计物质的物理形式(修改物体或实例的大小、形状和结构)来实现，而不是利用原子和分子之间的化学键。这一区别非常重要，它是现代纳米技术的核心。
跳过化学键，依靠量子物理
材料吸收、反射或发射的光的波长通常由将其组成原子结合在一起的化学键决定。利用材料的化学性质，可以微调这些键，以便它们为您提供您想要的颜色。例如，一些最早的染料始于苯胺等透明物质，通过化学反应转变为所需的色调。
这是一种处理光和颜色的有效方法，但它也会导致产品随着时间的推移随着这些键的降解而褪色。它还经常涉及使用对人类和环境有害的化学品。
量子点的工作原理不同。它们不是依靠化学键来确定它们吸收和发射的光的波长，而是依赖于非常小的半导体材料簇。这些簇的量子物理学决定了发射的光的波长，而这又取决于簇的大小。
当涉及到量子点可以产生的光的强度和质量，以及它们的抗漂白或褪色性、它们的新用途以及如果经过工程设计时，这种通过简单地改变材料的尺寸来调整材料行为的能力是一个游戏规则的改变者。聪明地——他们的毒性。
使用原子创建具有新颖特性的材料的“基础编码”的一个例子是由化学家制作的单分子“纳米汽车”，当它在表面上“驱动”时可以对其进行控制。图片来源：AlexisvanVenrooy/莱斯大学，CCBY-ND
当然，很少有材料是完全无毒的，量子点也不例外。例如，早期的量子点通常基于硒化镉，其成分材料有毒。然而，量子点的潜在毒性需要通过释放和暴露的可能性以及它们与替代品的比较来平衡。
自早期以来，量子点技术在安全性和实用性方面不断发展，并已应用于越来越多的产品中，从显示器和照明到传感器、生物医学应用等。在这个过程中，他们的一些新鲜感可能已经消失了。例如，很难记住这项技术被用来推广最新一代的华丽电视，到底实现了多大的飞跃。
然而，量子点是技术转型的关键部分，它正在彻底改变人们使用原子和分子的方式。
原子级别的“基础编码”
在我的书《未来的电影：科幻电影的技术与道德》中，我写到了“基本编码”的概念。这个想法很简单：如果人们能够操纵定义我们生活的世界的最基本的代码，我们就可以开始重新设计和重新设计它。
这个概念在计算方面很直观，程序员使用1、s和0的“基本代码”，尽管是通过更高级的语言实现的。这在生物学中也很有意义，科学家们越来越擅长读取和编写DNA和RNA的碱基代码，在这种情况下，使用化学碱基腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶作为编码语言。
这种使用基本代码的能力也延伸到了物质世界。在这里，代码由原子和分子以及它们的排列方式组成，从而产生新的特性。
巴文迪、布鲁斯和埃基莫夫在量子点方面的工作是这种物质世界基础编码形式的完美例子。通过将特定原子的小簇精确地形成球形“点”，他们能够利用否则无法获得的新颖的量子特性。通过他们的工作，他们展示了原子编码所带来的变革力量。
它们为日益复杂的纳米级基础编码铺平了道路，现在，这些基础编码正在催生出没有它就不可能实现的产品和应用。它们是纳米技术革命的灵感的一部分，这场革命一直持续到今天。以这些新颖的方式重新设计物质世界远远超出了通过更传统的技术所能实现的目标。
这种可能性在1999年美国国家科学技术委员会的一份题为《纳米技术：用原子塑造世界》的报告中得到体现。虽然它没有明确提及量子点(我确信作者现在正在为这一遗漏而自责)，但它确实体现了在原子尺度上设计材料的能力可能具有多大的变革性。
这种原子级的世界塑造正是巴文迪、布鲁斯和埃基莫夫通过他们的开创性工作所渴望实现的目标。他们是最早的材料“基础编码者”之一，因为他们使用原子级精确工程来利用小粒子的量子物理学——诺贝尔委员会对其重要性的认可是当之无愧的。