南開大學(xué)化學(xué)南樓4樓，是化學(xué)學(xué)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(xué)專業(yè)術(shù)語介紹，它就是納米尺寸的半導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)可見光范圍內(nèi)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(nèi)任意波長的發(fā)光材料，用途十分廣泛。”

小小的量子點，蘊藏著巨大的能量轉(zhuǎn)換潛力。因為這一特殊性能，讓量子點在生物標(biāo)記成像與示蹤、光催化、顯示、照明等領(lǐng)域“大有可為”。

龐代文二十多年來深耕量子點，帶領(lǐng)團隊攻克了現(xiàn)有量子點不耐高溫加工的世界性難題，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出性能更強、成本更低的光擴散板，為新型顯示領(lǐng)域帶來新的發(fā)展?jié)摿Α！澳透邷丶庸ち孔狱c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(shù)發(fā)明特等獎。

“更強”的量子點

量子點光電顯示技術(shù)是當(dāng)下十分具有市場發(fā)展前景的方向，但推進其廣泛應(yīng)用仍面臨諸多難題，其中最難的便是如何在工業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)量子點性能精準(zhǔn)控制和使役的長期穩(wěn)定性。多年研究令龐代文發(fā)現(xiàn)：極小的粒徑與極高的表面原子占比，導(dǎo)致了納米材料處于“亞穩(wěn)態(tài)”，缺乏足夠穩(wěn)定性。

“我認(rèn)為量子點是目前發(fā)光性質(zhì)最好的材料，沒有任何一種材料的光學(xué)性質(zhì)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(jīng)受長達(dá)10年使用的考驗，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。”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(jié)構(gòu)，是當(dāng)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(shù)，令國內(nèi)市場面臨潛在的“卡脖子”難題。

2001年進入到量子研究領(lǐng)域以來，龐代文便和團隊一起向這一世界難題發(fā)起攻關(guān)。經(jīng)過20余年的潛心系統(tǒng)研究，通過綜合考慮量子點的發(fā)光核、限域?qū)印⑴潴w層、應(yīng)用場景等因素，團隊成功合成出了熒光量子產(chǎn)率接近100%，熒光半峰寬約20 nm的高質(zhì)量量子點，為其廣色域背光顯示應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。此外，精巧設(shè)計量子點的“多殼層+厚殼層+雜合層”等多級復(fù)合結(jié)構(gòu)，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(lǐng)域占領(lǐng)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(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，除了提升量子點本身的性能，還必須同時解決高產(chǎn)量、低成本和低價格的問題。這座“山峰”，龐代文帶領(lǐng)團隊繼續(xù)攀登。

2014年，為攻克高質(zhì)量量子點的大規(guī)模制造難題，團隊創(chuàng)造性地發(fā)展了非注射的往復(fù)式升溫策略，將年產(chǎn)能提升至超1噸，實現(xiàn)了毫克級至公斤級的超萬倍放大。在此基礎(chǔ)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(shù)更完美。

量子點光擴散結(jié)構(gòu)示意圖

團隊摒棄了現(xiàn)行的“水氧阻隔膜”，首創(chuàng)“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(zhuǎn)換功能與擴散板的均光功能結(jié)合。產(chǎn)品穩(wěn)定性不僅滿足實用要求，并在保證性能的基礎(chǔ)上成本降低50%以上，開辟出一條“反卡對手脖子”的自主創(chuàng)新之路，實現(xiàn)了從落后追趕到彎道超車的飛躍。

創(chuàng)業(yè)之路難免荊棘叢生，龐代文及團隊成員期間也經(jīng)歷了重重考驗。高額的研發(fā)費用、量子點遲遲無法兌現(xiàn)的市場潛力、外界的不斷質(zhì)疑……面對接踵而至的困難和挑戰(zhàn)，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(yōu)化研發(fā)技術(shù)，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(chǎn)權(quán)的新技術(shù)得到了海信、創(chuàng)維、TCL等龍頭企業(yè)的重視，并被天津市科學(xué)技術(shù)評價中心鑒定為“達(dá)到了國際領(lǐng)先水平”。量子點光擴散板已用于數(shù)百萬臺量子點電視機，在顯示領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)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(jié)能方面產(chǎn)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(xué)獎授予了三位“量子點的發(fā)現(xiàn)與合成”的科學(xué)家，成為納米科技發(fā)展的里程碑事件。量子點從出現(xiàn)到得到廣泛重視，再到獲得諾貝爾獎，歷經(jīng)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(chǎn)業(yè)的一點點進步都非常難，其關(guān)鍵還在于基礎(chǔ)研究。只有透徹的基礎(chǔ)研究，才是中國高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)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(fēng)口散去、追風(fēng)人離去之后，找到更多的發(fā)展機會。”

基于耐高溫量子點發(fā)展的背光液晶顯示技術(shù)，是面向我國傳統(tǒng)生產(chǎn)力向新質(zhì)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)變需求、滿足我國發(fā)展高附加值產(chǎn)業(yè)目標(biāo)的重要成果，將為提高我國在顯示領(lǐng)域的國際地位，從源頭上占領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)制高點產(chǎn)生積極影響。而除了在顯示領(lǐng)域的突破性研究，龐代文在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也取得了重要進展。

他打破傳統(tǒng)思路，開創(chuàng)了量子點活細(xì)胞合成方法和相應(yīng)的標(biāo)記技術(shù)，突破了單病毒定點定量標(biāo)記等生物分析方法學(xué)瓶頸，實現(xiàn)了單個病毒感染等動態(tài)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(dān)任國家973項目首席科學(xué)家，同時長期擔(dān)任國家納米科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會與“納米研究”國家重大科學(xué)研究計劃專家組成員。

在化學(xué)南樓4樓，龐代文依舊在忙碌。指導(dǎo)學(xué)生做實驗、解答學(xué)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(lǐng)學(xué)生繼續(xù)破解“量子點”領(lǐng)域那些亟待解決的難題，探索出更多納米科學(xué)世界的神奇與精彩。

談到未來規(guī)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(lǐng)域努力推廣到國防安全、糧食安全與人民健康等領(lǐng)域，讓量子點為國家發(fā)展繼續(xù)‘大放異彩’”。（叢敏，攝影 宗琪琪）