量子點：現狀、機遇和挑戰（一）

化學系教授彭笑剛“以新型量子點為基礎，通過與浙大材料系金一政副教授小組和納晶科技公司合作，我們已經看到了第一個帶有顛覆性意義的量子點應用。那就是性能優異的‘量子點LED’（QLED）。”

深重的自然資源危機

我認為，量子點是現代科學的重要前沿。

為什么這么說？2002年，《美國科學院院刊》有一篇文章，做了一個分析，地球是一個封閉體系，唯一進來的是太陽能。因此，整個地球完全依靠太陽能再生。可是分析一下，到上世紀90年代的時候，人類大約用了地球再生能力的70%，到80年代就到了100%。到了90年代末，就到了120%，意味著已經超過了地球的負荷能力。

這就是今天為什么出現那么多環境問題的原因，例如霧霾。仔細去看，如果每個人按照美國人的方式生活，到2002年的時候，我們就需要兩個地球。2009年，有一次我在英國講到這份報告，有位學者告訴我，2個地球是不夠的，按照美國當時的生活標準，人類應該需要是5個地球。想一想，這個說法也差不多。因為美國占全世界人口的5%，卻用掉全世界40%的資源。于是，中國人自己就需要兩個地球，整個人類需要5個地球。以此來看，美國人、歐洲人和其它發達國家的人喊能源危機是有道理的，但我們中國人乃至整個人類面臨的不只是能源危機，而是更加廣義的資源危機。如果中國人一味跟著美國人和其它資源占有率高的國家喊“能源危機”、而無視更深刻的資源危機，那么，我們就是把自己賣了幫別人在數錢。

人類面對的真正問題是資源危機，而不僅僅是能源危機。我們按照美國人的方式生活，不現實，前面是一片黑暗。對這個重大挑戰，全世界的化學家心里有一個答案，那就是高新材料化學。造一個地球是不可能的，化學家心里有一個不一樣的辦法，我們可以為人類尋找、設計、創造高新材料。這就是高新材料化學的核心思想，同時，這也導致了高新材料化學成為化學領域最近的重要發展趨勢。

湯森路透的高被引科學家名單，化學和材料學科中國名列前茅的占比很大。這不奇怪，這說明我國的科學家是有良知的。他們在真正地想問題，想著為人類創造新的材料，把沒用的東西變成有用的東西，把有用的東西用到極致，用完了不給自然帶來負擔。這是整個化學，甚至是整個科學界的一個重大趨勢：高新材料化學。

還有一個有意思的現象，2011年，根據發表論文被引用的情況，湯森路透搞了一個21世紀前10年高影響力一百名化學家的排名。其中60%左右的學者與納米材料相關。為什么？因為納米并不是僅僅是一個尺度，而是納米材料代表了高新材料化學目前的主攻方向。

一類明星材料———量子點

量子點是一大類新材料中的一種———溶液納米晶。“新”的原因在于，正常情況下，化學家主要在做溶解在溶液中的東西。生物學家也一樣，沒有溶液生物體就不能存活。因為有一些功能只能晶體才具備，所以，化學家對這些功能并不熟悉、也沒有花功夫來開放它們的潛在應用。但是，如果把晶體做小到納米尺度之后，它們就會像蛋白質那樣進入到溶液中。于是，人類有了一類全新的材料，它們具有種晶體和溶液的雙重性質。從化學的角度講，甚至是一類全新的分子。從材料的前途看，它代表著很多新的可能性。

在所有的溶液納米晶體中，有一類明星納米材料，而且是很快就會有突破性工業應用的材料。那就是量子點。

與其他納米晶材料不同，量子點是以半導體晶體為基礎的。尺寸在1—100納米之間，每一個粒子都是單晶。量子點的名字，來源于半導體納米晶的量子限域效應，或者量子尺寸效應。當半導體晶體做到小到納米尺度（1納米大約等于頭發絲寬度的萬分之一），不同的尺寸就可以發出不同顏色的光。比如硒化鎘這種半導體納米晶，在2納米時發出的是藍色光，到8納米的尺寸時發出的就是紅色光，中間的尺寸呈現綠色黃色橙色等等。這一種化學成分，發光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區，而且色純度高、連續可調。

發光材料對人類重要嗎？非常重要，這是因為，我們是在太陽下進化而來的物種。發光材料對人類的重要性，決定了量子點會成為明星材料。以“量子點”為關鍵詞在SCI論文數據庫中搜索，一年發表的文章達到一萬篇以上，這個量是很大的。當然，只做基礎研究不是高新材料化學這個學科的特色，要解決人類資源的問題，高新材料必須成為工業界的應用。基于此，2009年回國的時候，我與幾位有志于在中國探索高科技創業的人士一起在杭州創辦了一家公司，叫納晶科技股份有限公司。納晶公司的目標，是以量子點材料為核心，設計、制造、產業化光電器件和生物與醫學檢測產品。

量子點可以應用在生物醫療領域。我們能用量子點把細胞的骨架完全顯示出來。與其它種類的檢測手段相比，量子點發光材料做檢測肯定是有優勢的。我們可以很容易地利用量子點的不同顏色來同時檢測多種病菌或者農藥殘留。而且，因為量子點吸收能力非常大，能夠大大提高靈敏度。大家所熟知的早孕試紙，那里面就是利用金納米晶顯色。在這個意義上，納米科技早就進入了生活，只是人們常常不知道。為什么要用發光的量子點替代金納米晶的顯色？這是因為，金納米晶顯色法無法做定量，而用量子點做檢測就可以做到定量檢測。估計明年2月左右，納晶公司的生物醫學快速檢測產品就會在市面上見到了。

照明也是一個很大的產業，消耗的能量大致相當于電能的20%。目前的人造光源的光效率是很低的。例如，照明質量高的白熾燈，光效只有2%。如果能把效率提高到20%，就意味著能節省能源消耗的20%。2010年，納晶科技在美國燈展上展示了一款量子點為基礎的LED燈，美國能源部的固態照明路線圖寫了一段話：量子點在人類照明領域將起到重要作用。那一款產品的能效和光質量都表現突出，但由于是基于傳統的氮化鎵LED，其價格偏高。從目前的情況看，量子點用于照明還需要一定的研發工作，才可能成為有競爭力的產品。

量子點可能帶來重大變化的產業是顯示。目前的第一代，將是氮化鎵LED與量子點結合的背光源產品，納晶公司和美國兩家高科技公司都已經進入商業化階段。這種新型的背光源，讓顯示顏色的純度很高、色飽和到高，是其它顯示技術難以企及的。據我所知，國內一家大型電視機廠家將會在今年年底或者明年年初推出這種新型的彩色電視。