南開大學化學南樓4樓，是化學學院教授龐代文辦公及做實驗的地方。在樓道邊的一個展柜里，除了自己和團隊獲得的諸多榮譽外，還擺放著很多五顏六色的瓶瓶罐罐。里面裝著的是一種清澈且均勻的液體——量子點。
什么是量子點？用化學專業術語介紹，它就是納米尺寸的半導體晶體。而令人驚奇的是，這些顏色并不是靠后期“染”上去的，而是天然“光”。“由于材料的尺寸不同，會呈現出不同的顏色”，龐代文介紹說，“這就是它的神奇之處，用同一種材料，可以實現可見光范圍內全光譜覆蓋。如果同時改變組成和尺寸則幾乎可以按需得到可見至中紅外光譜范圍內任意波長的發光材料，用途十分廣泛。”
小小的量子點，蘊藏著巨大的能量轉換潛力。因為這一特殊性能，讓量子點在生物標記成像與示蹤、光催化、顯示、照明等領域“大有可為”。
龐代文二十多年來深耕量子點，帶領團隊攻克了現有量子點不耐高溫加工的世界性難題，并在此基礎上研發出性能更強、成本更低的光擴散板，為新型顯示領域帶來新的發展潛力。“耐高溫加工量子點及其光擴散板”項目日前榮獲了2023年度天津市唯一一項技術發明特等獎。
“更強”的量子點
量子點光電顯示技術是當下十分具有市場發展前景的方向，但推進其廣泛應用仍面臨諸多難題，其中最難的便是如何在工業生產中實現量子點性能精準控制和使役的長期穩定性。多年研究令龐代文發現：極小的粒徑與極高的表面原子占比，導致了納米材料處于“亞穩態”，缺乏足夠穩定性。
“我認為量子點是目前發光性質最好的材料，沒有任何一種材料的光學性質能夠超過它。但量子點必須能耐受高溫熔融擠出加工和隨后在光、熱、水、氧極端條件下的破壞，才可能經受長達10年使用的考驗，這是一個巨大的挑戰。”龐代文介紹道。
使用高分子水氧阻隔膜形成保護量子點的“三明治”結構，是當下保護量子點十分有效的方法。但居高不下的成本和被國外壟斷的技術，令國內市場面臨潛在的“卡脖子”難題。
2001年進入到量子研究領域以來，龐代文便和團隊一起向這一世界難題發起攻關。經過20余年的潛心系統研究，通過綜合考慮量子點的發光核、限域層、配體層、應用場景等因素，團隊成功合成出了熒光量子產率接近100%，熒光半峰寬約20 nm的高質量量子點，為其廣色域背光顯示應用奠定了堅實的基礎。此外，精巧設計量子點的“多殼層+厚殼層+雜合層”等多級復合結構，成功將量子點提升到可耐250 °C高溫熔融加工。
“更強”的量子點誕生，為量子點在顯示領域占領一席之地注入了新的動力。
為千家萬戶帶來“睛”彩
要想真正實現規模化應用，除了提升量子點本身的性能，還必須同時解決高產量、低成本和低價格的問題。這座“山峰”，龐代文帶領團隊繼續攀登。
2014年，為攻克高質量量子點的大規模制造難題，團隊創造性地發展了非注射的往復式升溫策略，將年產能提升至超1噸，實現了毫克級至公斤級的超萬倍放大。在此基礎上，團隊研制成功世界首款非隔離保護的寬色域量子點-聚苯乙烯光擴散板，讓量子點顯示技術更完美。
量子點光擴散結構示意圖
團隊摒棄了現行的“水氧阻隔膜”，首創“量子點光擴散板”的背光新模式，將量子點與液晶顯示面板中的擴散板器件相融合，量子點的色轉換功能與擴散板的均光功能結合。產品穩定性不僅滿足實用要求，并在保證性能的基礎上成本降低50%以上，開辟出一條“反卡對手脖子”的自主創新之路，實現了從落后追趕到彎道超車的飛躍。
創業之路難免荊棘叢生，龐代文及團隊成員期間也經歷了重重考驗。高額的研發費用、量子點遲遲無法兌現的市場潛力、外界的不斷質疑……面對接踵而至的困難和挑戰，龐代文從未想過退縮，“既然看好了，就要一直做下去”。團隊努力優化研發技術，積極尋求與各大高校和科研院所的合作，終于在不懈堅持中迎來了勝利的曙光。
如今，這一擁有完全中國自主知識產權的新技術得到了海信、創維、TCL等龍頭企業的重視，并被天津市科學技術評價中心鑒定為“達到了國際領先水平”。量子點光擴散板已用于數百萬臺量子點電視機，在顯示領域初放異彩。
左圖：商品化75寸量子點電視；右圖：同品牌75寸普通電視
“量子點光擴散板更好地推動了量子點在液晶顯示領域的應用，為液晶顯示面板帶來了更好的顯示性能。不僅讓色彩和亮度大幅提升，也在節能方面產生了積極影響。”龐代文說。
二十年追夢 他帶“光”奔跑
2023年的諾貝爾化學獎授予了三位“量子點的發現與合成”的科學家，成為納米科技發展的里程碑事件。量子點從出現到得到廣泛重視，再到獲得諾貝爾獎，歷經了43年，是幾代人努力的積累。這位化南開教授也留下了幾十年如一日潛心探索的足跡。
“其實，高科技產業的一點點進步都非常難，其關鍵還在于基礎研究。只有透徹的基礎研究，才是中國高科技產業發展之根本！”談及一路走來的心路歷程，龐代文說，“唯有堅持，才能在風口散去、追風人離去之后，找到更多的發展機會。”
基于耐高溫量子點發展的背光液晶顯示技術，是面向我國傳統生產力向新質生產力轉變需求、滿足我國發展高附加值產業目標的重要成果，將為提高我國在顯示領域的國際地位，從源頭上占領未來產業制高點產生積極影響。而除了在顯示領域的突破性研究，龐代文在生物醫學領域也取得了重要進展。
他打破傳統思路，開創了量子點活細胞合成方法和相應的標記技術，突破了單病毒定點定量標記等生物分析方法學瓶頸，實現了單個病毒感染等動態生命過程的多重微弱生化信息的獲取與解析。他不僅先后兩次擔任國家973項目首席科學家，同時長期擔任國家納米科學技術指導協調委員會與“納米研究”國家重大科學研究計劃專家組成員。
在化學南樓4樓，龐代文依舊在忙碌。指導學生做實驗、解答學生疑問、與博士生討論答辯事宜......而這些工作都朝著同一個方向延伸，就是帶領學生繼續破解“量子點”領域那些亟待解決的難題，探索出更多納米科學世界的神奇與精彩。
談到未來規劃，龐代文說“量子點雖小，但卻能做很多難以想象的事情。未來，我們會將量子點從商用顯示領域努力推廣到國防安全、糧食安全與人民健康等領域，讓量子點為國家發展繼續‘大放異彩’”。（叢敏，攝影 宗琪琪）
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