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。

从发端到热潮

量子点领域的发端，大约在70年代末。当时，西方国家的化学家受石油危机的影响，想寻找新一代能利用太阳能的光催化和光电转换系统。借鉴半导体太阳能电池的原理，化学家们开始尝试着在溶液中制备半导体小晶体，并研究它们的光电性质。有代表性的人物，包括美国的BARD和BRU、前苏联的Ekimov、德国的HENGLEIN等。

在实验室里，他们发现了一个非常奇怪的现象。比如，硫化铅的大块单晶总是大家熟悉的黑色，但是，化学家在溶液中做出来的纳米晶体颜色各不一样，有的黄、有的红、有的黑，有的甚至没有颜色。到底发生了什么奇怪的事情？

最后，美国科学家BRUS前苏联的E-FROS给出了一个漂亮的解释，这就是“量子限域效应”理论。他们俩的文章发表时间有些差，但由于前苏联的隔离，彼此并不知道对方的工作。

目前为止，这个领域还是化学家在起主导作用，合成出性能达到要求的量子点还是该领域最关键的事情。1990年以前，合成方法都是基于传统的制备胶体小粒子的化学方法，例如共沉淀、微乳液、胶束等。这些方法能够在一定程度上把尺寸控制在要求的范围内，但光学性能非常差，基本上不发光。

量子点研究在1990年到1993年之间发生了一件非常重要的事情，出现了一种新的合成方法，叫“金属有机-配位溶剂-高温”路线，这个方法以具有高毒性、非常不稳定的二甲基镉作为镉源，在高温（300摄氏度左右）、有机配位溶剂中合成高质量硒化镉。这一方法，最早是Brus和Stigwald在贝尔实验室发明，并于1990年发表了第一篇文章。因为该文描述非常简单，所以没有形成影响。后来，Brus博士后Bawendi去MIT任教，带领他的学生认认真真把它系统化，最后变成了一个可以重复的合成反应。这个成型的反应于1993年发表在《美国化学会会志》上，从此使得高质量硒化镉量子点成为可能。90年代后期，我在加州大学伯克利分校时，改进了该方法，其中的一部分工作发表在《自然》上。但是，我认为自己的这些工作（包括发表在《自然》的文章）远没有前面两篇工作重要。当前大家都很看重Nature、Sci-ence，但过度解读发表杂志表现的是“外行看热闹，内行看门道”。

1990年和1993年的两篇奠基性工作，对于整个领域具有里程碑式意义。但是，这同时也给领域留下来一个挑战。他们用的原料，是从“金属有机气相沉积“借鉴而来，其中的二甲基镉是爆炸性的，即使是室温也不稳定，其毒性很大，成本很高。这些因素，导致在后来10年间，这个领域发展并不快，而且只能做一种材料。

后来我到了阿肯色大学，我们找到了一种“绿色”有机溶剂路线，这个方法的价值在于，让量子点的简便合成走进了在全世界的实验室。只要有一个普通的化学合成实验室就可以做，在中国也可以做。进一步地，我们系统探索了量子点生长机理，使得相对高质量的量子点的范围也逐步扩大到其它种类半导体。由于这些原因，这条“绿色“路线很快在全世界推广（包括工业界和学术界），这也就在一个方面造成了我们发表的工作得到了较高的引用率。

现在回过头去看，MIT和贝尔实验室的方法的基本想法并不对。实际上，我们后来证明“金属有机-配位溶剂-高温”路线的三个因素都不是真正要素。相反，我们最近在浙江大学的实验结果表明，在相对温和的条件下做量子点合成会做得更好。那么，是不是“金属有机-配位溶剂-高温”路线是弯路呢？

我认为，科学研究分两类，分别是“前瞻性探索”和“系统性攻关”。上述贝尔实验室1990年的工作，就是典型的前瞻性探索，我们实验室在本世纪的工作则更接近系统性攻关，而MIT的工作则处于承上启下的作用。科学研究面对的未知世界、不像考试一样有标准答案。因此，我们既不能否定前瞻性探索、也不应该看不起系统性攻关。目前中国科学研究有过于看重前者的倾向，对科学热点过于关注。

创业浪潮

既然是功能材料，只是好看是不行的。美国年轻学子和中国的年轻学者有一点颇不一样。如果他们认为一项技术有用，博士毕业后（甚至不等到毕业）就去开公司创业。这就是名校毕业生，他们去创业、给别人提供就业机会。中国高等教育在这个方面值得反思，如何教育学生不成为社会就业负担，而是成为创业者？

第一家有影响的量子点公司创立时间是1999年，其主业是量子点用于生物医学标记。但不幸的是，该公司最终结果是成为了烈士，挣扎几年后，被大公司收购，其收购价格比创业成本低。在美国社会里，创业不成功毫无耻辱可言，用人单位还可能认为其经验可贵。如果中国要实现产业升级，那么我认为应该允许创业公司成为烈士。当然，之所以称为烈士，是因为它们的牺牲为后来者成功提供了经验。

目前，国际上号称以量子点为主业的公司颇为不少。它们中的一些，我认为不会成为烈士。从现在的情况看，影响比较大的都有来自大学的雄厚知识产权支持。比如，美国的QDVISION公司的技术基础来自麻省理工，美国的NANOSYS是以伯克利的技术为基础，中国的纳晶科技的前期技术从阿肯色大学获得一部分、并通过并购美国NN-Labs公司完成。

颠覆性进展

前面提到，这个领域还是合成化学占决定性地位。回到浙江大学后，我慢慢认识到量子点合成化学真正的核心问题是激发态控制。这是因为，作为发光材料，其性能的实现只能在激发态。而对于传统的合成化学，化学家只关心基态。基于这个新认识，我们采用了一些新的合成控制方法。由此，我们得到了一些性能前所未有的量子点。

以这些新型量子点为基础，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）。在申请了专利后，我们把相关的第一篇文章投给了Natue杂志。已经在线发表。

发光二极管（LED）LED正在改变我们的生活，在照明和显示领域的节能效果已经得到公认，这就是今年诺贝尔物理奖（氮化镓蓝光LED）的基础。氮化镓蓝光LED已经大面积量产，相关知识产权被日本、美国、欧洲公司牢牢控制了。但是，氮化镓蓝光LED的技术，是基于在蓝宝石单晶衬底上外延生长多层半导体单晶，要求高真空设备、超高纯度原料、制备过程能量消耗大。因此，其基础成本大。

在氮化镓蓝光LED之外，美籍华人学者邓青云教授在1979年报道了以有机分子为发光中心的LED（OLED）。OLED与氮化镓LED的最大不同，就在于它可以用常见化学方法（如溶液法）加工制备，因而成本可以很低。目前，三星公司用OLED已经做出来了商业化的手机显示屏，其优异的色彩是氮化镓LED显示屏无法比拟的。但遗憾的是，OLED的有机发光分子热稳定性和光稳定性都存在几乎难以突破的缺欠。这导致了OLED显示屏的良率低，做手机屏还问题不大，但大屏应用（如电视和计算机显示屏）基本上不可能实现。

如果量子点合成达到了LED光电性能的要求，那么，量子点LED有望结合氮化镓LED和OLED两者的优势。我们近期的这个工作，证实了这个设想。Nature的审稿人给出了几个指标，让我们与OLED和其它溶液加工LED做一个横向比较。结果表明，尽管我们的QLED是在相对简陋的条件下用溶液法制备的，但我们的器件几乎全面胜出。保守地说，我们的QLED商业化机会至少不会输给OLED。应该指出的是，除了量子点要做好，很关键的一点，还要试图去理解量子点在器件加工中要注意什么，这就是所谓的加工科学。

LED也是照明产业的核心器件。但是和太阳光比较，现在的白光LED灯是有缺陷的，它是人造白光，有很多的高能光子。高能光子对人类健康的影响，已经有一些医学证据表明是不利的。另外，现行白光LED发热比较明显，这也不是好消息。QLED的白光，在原理可以完全做到与理想照明光源一致，更加接近于自然光，并且发热大大减少。我们最近工作的进展表明，有一天量子点LED将为照明产业做出贡献。

量子点这个领域，目前已经发展到了需要高深、更系统、更集成（或者更交叉）的水平。当前，量子点的研究正在从游击队的零打碎敲，发展到集团化的正规军作战。中国的企业家、政府领导人、学者能否有足够的智慧，支持在中国形成真正的正规军？比如我们的QLED技术，目前处于国际领先地位、并确立了自己的知识产权。但是，来自MIT（QDVision）、SAMSUMG等的竞争是不容小视的。

（2014年10月27日）根据录音整理，已经本人审阅。