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劉燦邦
2025-10-10 19:15
今年的幾項(xiàng)諾獎(jiǎng)，有玄機(jī)。
2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)揭曉。前者，授予約翰·克拉克、米歇爾·H·德沃雷和約翰·M·馬蒂尼斯三名量子物理學(xué)家，以表彰他們?cè)陔娐分袑?shí)現(xiàn)宏觀量子力學(xué)隧穿效應(yīng)和能量量子化方面的貢獻(xiàn)；后者，則授予北川進(jìn)、理查德·羅布森以及奧馬爾·M·亞吉三位科學(xué)家，以表彰其在金屬有機(jī)骨架化合物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
有觀點(diǎn)評(píng)價(jià)，傳統(tǒng)意義上諾貝爾獎(jiǎng)多授予“從0到1”的原創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)，但今年幾項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)卻偏向“1到99”的技術(shù)推進(jìn)和應(yīng)用探索。
具體而言，2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)所提到的“隧穿效應(yīng)”，通俗理解為：電子等微觀粒子能夠穿入或穿越能量壁壘的量子行為，這就像是“穿墻而過(guò)”。而2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)所說(shuō)的“金屬有機(jī)骨架（MOF）”，指的是：金屬離子和分子共同排列形成含有大空腔的晶體，這些多孔材料被稱為金屬有機(jī)骨架，科學(xué)家可以通過(guò)改變MOF中使用的基本單元，來(lái)捕獲和儲(chǔ)存特定物質(zhì)。
21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者注意到，今年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，皆給未來(lái)新能源材料的“革命”提供了想象空間。例如，量子隧穿效應(yīng)或?qū)ξ磥?lái)新型光伏機(jī)制突破光電轉(zhuǎn)換效率理論極限會(huì)有潛在的幫助；金屬有機(jī)骨架憑借其獨(dú)特的納米孔結(jié)構(gòu)和可調(diào)控的吸附性能，被視作下一代制氫、儲(chǔ)氫介質(zhì)的潛力材料。
隧穿效應(yīng)：光伏領(lǐng)域并不陌生
中國(guó)古代神話故事幾乎都會(huì)提及一種術(shù)法：“穿墻術(shù)”，一個(gè)人的身體穿墻而過(guò)，卻不會(huì)受到任何傷害。這在現(xiàn)實(shí)世界宛如“天方夜譚”，但在量子世界里“司空見(jiàn)慣”。
上述所類比的場(chǎng)景，即是量子力學(xué)里的“隧穿效應(yīng)”。這是打破我們?cè)诤暧^世界認(rèn)知的一種現(xiàn)象——在現(xiàn)實(shí)世界中，我們?nèi)粢┻^(guò)身前的一堵墻，就必須翻越或者鑿穿它，因?yàn)榻?jīng)典物理學(xué)告訴我們物體的能量如果低于克服障礙所需要的能量，你就無(wú)法突破障礙。然而，在量子世界中，微觀粒子卻可以以一定的概率在同一空間中出現(xiàn)在不同的位置，即便它自身的能量低于穿越壁壘時(shí)所需的能量。
而今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的實(shí)驗(yàn)證明了上述量子隧穿效應(yīng)，可以在包含大量粒子的宏觀尺度上被觀測(cè)到。有分析觀點(diǎn)認(rèn)為，今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的技術(shù)應(yīng)用，為開(kāi)發(fā)包括量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)和量子傳感器在內(nèi)的下一代量子技術(shù)創(chuàng)造了可能。
“量子隧穿效應(yīng)相關(guān)的工作已經(jīng)多次獲得諾貝爾獎(jiǎng)了。但以往我們關(guān)注的都是量子隧穿效應(yīng)在微觀尺度電子的‘概率行為’，而這次工作的關(guān)鍵在‘宏觀’兩個(gè)字，所以說(shuō)其主要的應(yīng)用在量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)等看得見(jiàn)摸得著，需要有決定性的領(lǐng)域。”晶澳科技CTO歐陽(yáng)子在接受21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者采訪時(shí)評(píng)論道。
值得一提的是，對(duì)于光伏領(lǐng)域而言，“隧穿效應(yīng)”并不陌生。
“量子隧穿效應(yīng)本身并不是新鮮事物，1920年代就被科學(xué)家提出來(lái)了，它是量子物理的基石之一，在半導(dǎo)體領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在光伏歷史上很多器件也用到了量子隧穿效應(yīng)，比如MOS電池，以及如今已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用的TOPCon電池。”歐陽(yáng)子告訴21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者。
TOPCon，全稱為隧穿氧化層鈍化接觸（Tunnel Oxide Passivated Contact），以“隧穿氧化層+多晶硅層”的結(jié)構(gòu)，降低少數(shù)載流子復(fù)合的同時(shí)，通過(guò)隧穿機(jī)制進(jìn)行多數(shù)載流子傳輸，從而兼顧鈍化與良好的電導(dǎo)性能，實(shí)現(xiàn)超高的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率。如今，TOPCon電池已經(jīng)占據(jù)了光伏電池市場(chǎng)的主流份額。
歐陽(yáng)子補(bǔ)充道：“可以說(shuō)，量子隧穿效應(yīng)是TOPCon太陽(yáng)能電池的核心。”
21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者注意到，今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的確在光伏行業(yè)引發(fā)了一波討論。10月8日晚間，中來(lái)股份總裁林建偉便在朋友圈寫道：“量子隧穿效應(yīng)，中來(lái)2016年開(kāi)始研發(fā)的TOPCon太陽(yáng)能電池，在該領(lǐng)域算是國(guó)內(nèi)第一家應(yīng)用該技術(shù)。”
不過(guò)，就今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)本身而言，其短期內(nèi)與光伏太陽(yáng)能電池的直接聯(lián)系并不明顯。“它主要屬于量子電子學(xué)、超導(dǎo)電路、量子技術(shù)領(lǐng)域。”但歐陽(yáng)子認(rèn)為，“新的諾獎(jiǎng)工作增強(qiáng)了我們對(duì)量子隧穿、量子態(tài)控制的理解，對(duì)未來(lái)新型光伏機(jī)制突破光電轉(zhuǎn)換效率理論極限會(huì)有潛在的幫助。”
金屬有機(jī)骨架：下一代氫能材料
2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)將“金屬有機(jī)骨架”帶入公眾視線。
這是一種全新的分子結(jié)構(gòu)架構(gòu)形式，可以使氣體和其他化學(xué)物質(zhì)能夠在其中流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)從沙漠空氣中提取水分、捕獲二氧化碳、儲(chǔ)存氣體，或催化化學(xué)反應(yīng)。
重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授李存璞在接受《返樸》雜志采訪時(shí)表示，對(duì)于能源領(lǐng)域而言，金屬有機(jī)骨架材料最大的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在其作為碳材料和摻雜碳材料的理想模板，在吸附分離領(lǐng)域中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，并極大地拓展了其在能源、催化和材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用潛力。
實(shí)際上，當(dāng)今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉后，氫能產(chǎn)業(yè)同樣引發(fā)了一波討論。
被視作“21世紀(jì)終極能源”的氫能，目前仍然處于商業(yè)化的起步階段。其中，儲(chǔ)氫是挑戰(zhàn)之一。而在氫能的儲(chǔ)存方式上，目前分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和條件來(lái)選擇合適的儲(chǔ)氫方式。
21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者注意到，早在今年8月，《自然·化學(xué)》便刊發(fā)了一個(gè)由多國(guó)科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)最新成果，首次發(fā)現(xiàn)了一種金屬有機(jī)骨架材料，具備高效的儲(chǔ)氫潛力。該論文顯示，該種材料具備類似海綿的孔洞網(wǎng)絡(luò)，其獨(dú)特之處在于“柔性晶格”，單位質(zhì)量的儲(chǔ)氫量達(dá)6.5%，且儲(chǔ)氫密度可以媲美70MPa高壓儲(chǔ)瓶，可在常規(guī)條件下運(yùn)行。
此外，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心趙慎龍團(tuán)隊(duì)同樣在今年8月發(fā)表的突破性研究，為金屬有機(jī)骨架電極規(guī)模化制備及電解水應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
據(jù)公開(kāi)報(bào)道，該團(tuán)隊(duì)研究人員通過(guò)室溫電沉積規(guī)模化制備工藝，實(shí)現(xiàn)了分鐘級(jí)快速合成400平方厘米大尺寸金屬有機(jī)骨架電極，并將其應(yīng)用于堿性電解水體系。而該電極展現(xiàn)出極低的電解能耗，且能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)5000小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，未來(lái)有望在大規(guī)模綠氫生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用。
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