量子点：现状、机遇和挑战（一）
化学系教授彭笑刚“以新型量子点为基础，通过与浙大材料系金一政副教授小组和纳晶科技公司合作，我们已经看到了第一个带有颠覆性意义的量子点应用。那就是性能优异的‘量子点LED’（QLED）。”
深重的自然资源危机
我认为，量子点是现代科学的重要前沿。
为什么这么说？2002年，《美国科学院院刊》有一篇文章，做了一个分析，地球是一个封闭体系，唯一进来的是太阳能。因此，整个地球完全依靠太阳能再生。可是分析一下，到上世纪90年代的时候，人类大约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%，意味着已经超过了地球的负荷能力。
这就是今天为什么出现那么多环境问题的原因，例如雾霾。仔细去看，如果每个人按照美国人的方式生活，到2002年的时候，我们就需要两个地球。2009年，有一次我在英国讲到这份报告，有位学者告诉我，2个地球是不够的，按照美国当时的生活标准，人类应该需要是5个地球。想一想，这个说法也差不多。因为美国占全世界人口的5%，却用掉全世界40%的资源。于是，中国人自己就需要两个地球，整个人类需要5个地球。以此来看，美国人、欧洲人和其它发达国家的人喊能源危机是有道理的，但我们中国人乃至整个人类面临的不只是能源危机，而是更加广义的资源危机。如果中国人一味跟着美国人和其它资源占有率高的国家喊“能源危机”、而无视更深刻的资源危机，那么，我们就是把自己卖了帮别人在数钱。
人类面对的真正问题是资源危机，而不仅仅是能源危机。我们按照美国人的方式生活，不现实，前面是一片黑暗。对这个重大挑战，全世界的化学家心里有一个答案，那就是高新材料化学。造一个地球是不可能的，化学家心里有一个不一样的办法，我们可以为人类寻找、设计、创造高新材料。这就是高新材料化学的核心思想，同时，这也导致了高新材料化学成为化学领域最近的重要发展趋势。
汤森路透的高被引科学家名单，化学和材料学科中国名列前茅的占比很大。这不奇怪，这说明我国的科学家是有良知的。他们在真正地想问题，想着为人类创造新的材料，把没用的东西变成有用的东西，把有用的东西用到极致，用完了不给自然带来负担。这是整个化学，甚至是整个科学界的一个重大趋势：高新材料化学。
还有一个有意思的现象，2011年，根据发表论文被引用的情况，汤森路透搞了一个21世纪前10年高影响力一百名化学家的排名。其中60%左右的学者与纳米材料相关。为什么？因为纳米并不是仅仅是一个尺度，而是纳米材料代表了高新材料化学目前的主攻方向。
一类明星材料———量子点
量子点是一大类新材料中的一种———溶液纳米晶。“新”的原因在于，正常情况下，化学家主要在做溶解在溶液中的东西。生物学家也一样，没有溶液生物体就不能存活。因为有一些功能只能晶体才具备，所以，化学家对这些功能并不熟悉、也没有花功夫来开放它们的潜在应用。但是，如果把晶体做小到纳米尺度之后，它们就会像蛋白质那样进入到溶液中。于是，人类有了一类全新的材料，它们具有种晶体和溶液的双重性质。从化学的角度讲，甚至是一类全新的分子。从材料的前途看，它代表着很多新的可能性。
在所有的溶液纳米晶体中，有一类明星纳米材料，而且是很快就会有突破性工业应用的材料。那就是量子点。
与其他纳米晶材料不同，量子点是以半导体晶体为基础的。尺寸在1—100纳米之间，每一个粒子都是单晶。量子点的名字，来源于半导体纳米晶的量子限域效应，或者量子尺寸效应。当半导体晶体做到小到纳米尺度（1纳米大约等于头发丝宽度的万分之一），不同的尺寸就可以发出不同颜色的光。比如硒化镉这种半导体纳米晶，在2纳米时发出的是蓝色光，到8纳米的尺寸时发出的就是红色光，中间的尺寸呈现绿色黄色橙色等等。这一种化学成分，发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区，而且色纯度高、连续可调。
发光材料对人类重要吗？非常重要，这是因为，我们是在太阳下进化而来的物种。发光材料对人类的重要性，决定了量子点会成为明星材料。以“量子点”为关键词在SCI论文数据库中搜索，一年发表的文章达到一万篇以上，这个量是很大的。当然，只做基础研究不是高新材料化学这个学科的特色，要解决人类资源的问题，高新材料必须成为工业界的应用。基于此，2009年回国的时候，我与几位有志于在中国探索高科技创业的人士一起在杭州创办了一家公司，叫纳晶科技股份有限公司。纳晶公司的目标，是以量子点材料为核心，设计、制造、产业化光电器件和生物与医学检测产品。
量子点可以应用在生物医疗领域。我们能用量子点把细胞的骨架完全显示出来。与其它种类的检测手段相比，量子点发光材料做检测肯定是有优势的。我们可以很容易地利用量子点的不同颜色来同时检测多种病菌或者农药残留。而且，因为量子点吸收能力非常大，能够大大提高灵敏度。大家所熟知的早孕试纸，那里面就是利用金纳米晶显色。在这个意义上，纳米科技早就进入了生活，只是人们常常不知道。为什么要用发光的量子点替代金纳米晶的显色？这是因为，金纳米晶显色法无法做定量，而用量子点做检测就可以做到定量检测。估计明年2月左右，纳晶公司的生物医学快速检测产品就会在市面上见到了。
照明也是一个很大的产业，消耗的能量大致相当于电能的20%。目前的人造光源的光效率是很低的。例如，照明质量高的白炽灯，光效只有2%。如果能把效率提高到20%，就意味着能节省能源消耗的20%。2010年，纳晶科技在美国灯展上展示了一款量子点为基础的LED灯，美国能源部的固态照明路线图写了一段话：量子点在人类照明领域将起到重要作用。那一款产品的能效和光质量都表现突出，但由于是基于传统的氮化镓LED，其价格偏高。从目前的情况看，量子点用于照明还需要一定的研发工作，才可能成为有竞争力的产品。
量子点可能带来重大变化的产业是显示。目前的第一代，将是氮化镓LED与量子点结合的背光源产品，纳晶公司和美国两家高科技公司都已经进入商业化阶段。这种新型的背光源，让显示颜色的纯度很高、色饱和到高，是其它显示技术难以企及的。据我所知，国内一家大型电视机厂家将会在今年年底或者明年年初推出这种新型的彩色电视。
