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(shí)驗(yàn)的地方。在樓道邊的一個(gè)展柜里，除了自己和團(tuán)隊(duì)獲得的諸多榮譽(yù)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(diǎn)。

什么是量子點(diǎn)？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(huì)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(shí)現(xiàn)可見光范圍內(nèi)全光譜覆蓋。如果同時(shí)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(diǎn)，蘊(yùn)藏著巨大的能量轉(zhuǎn)換潛力。因?yàn)檫@一特殊性能，讓量子點(diǎn)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(diǎn)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了現(xiàn)有量子點(diǎn)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(qiáng)、成本更低的光擴(kuò)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(diǎn)及其光擴(kuò)散板”項(xiàng)目日前榮獲了2023年度天津市唯一一項(xiàng)技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)。

“更強(qiáng)”的量子點(diǎn)

量子點(diǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(yàn)，這是一個(gè)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(hù)量子點(diǎn)的“三明治”結(jié)構(gòu)，是當(dāng)下保護(hù)量子點(diǎn)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(jìn)入到量子研究領(lǐng)域以來，龐代文便和團(tuán)隊(duì)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(diǎn)的發(fā)光核、限域?qū)印⑴潴w層、應(yīng)用場景等因素，團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，為其廣色域背光顯示應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，精巧設(shè)計(jì)量子點(diǎn)的“多殼層+厚殼層+雜合層”等多級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)，成功將量子點(diǎn)提升到可耐250 °C高溫熔融加工。

“更強(qiáng)”的量子點(diǎn)誕生，為量子點(diǎn)在顯示領(lǐng)域占領(lǐng)一席之地注入了新的動(dòng)力。

為千家萬戶帶來“睛”彩

要想真正實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，除了提升量子點(diǎn)本身的性能，還必須同時(shí)解決高產(chǎn)量、低成本和低價(jià)格的問題。這座“山峰”，龐代文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)攀登。

2014年，為攻克高質(zhì)量量子點(diǎn)的大規(guī)模制造難題，團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了毫克級(jí)至公斤級(jí)的超萬倍放大。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研制成功世界首款非隔離保護(hù)的寬色域量子點(diǎn)-聚苯乙烯光擴(kuò)散板，讓量子點(diǎn)顯示技術(shù)更完美。

量子點(diǎn)光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)示意圖

團(tuán)隊(duì)摒棄了現(xiàn)行的“水氧阻隔膜”，首創(chuàng)“量子點(diǎn)光擴(kuò)散板”的背光新模式，將量子點(diǎn)與液晶顯示面板中的擴(kuò)散板器件相融合，量子點(diǎn)的色轉(zhuǎn)換功能與擴(kuò)散板的均光功能結(jié)合。產(chǎn)品穩(wěn)定性不僅滿足實(shí)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(duì)手脖子”的自主創(chuàng)新之路，實(shí)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(tuán)隊(duì)成員期間也經(jīng)歷了重重考驗(yàn)。高額的研發(fā)費(fèi)用、量子點(diǎn)遲遲無法兌現(xiàn)的市場潛力、外界的不斷質(zhì)疑……面對(duì)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(tuán)隊(duì)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(jiān)持中迎來了勝利的曙光。

如今，這一擁有完全中國自主知識(shí)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(píng)價(jià)中心鑒定為“達(dá)到了國際領(lǐng)先水平”。量子點(diǎn)光擴(kuò)散板已用于數(shù)百萬臺(tái)量子點(diǎn)電視機(jī)，在顯示領(lǐng)域初放異彩。

左圖：商品化75寸量子點(diǎn)電視；右圖：同品牌75寸普通電視

“量子點(diǎn)光擴(kuò)散板更好地推動(dòng)了量子點(diǎn)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(mèng) 他帶“光”奔跑

2023年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位“量子點(diǎn)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(diǎn)從出現(xiàn)到得到廣泛重視，再到獲得諾貝爾獎(jiǎng)，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(shí)，高科技產(chǎn)業(yè)的一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)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(jiān)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(jī)會(huì)。”

基于耐高溫量子點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)展。

他打破傳統(tǒng)思路，開創(chuàng)了量子點(diǎn)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(diǎn)定量標(biāo)記等生物分析方法學(xué)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)病毒感染等動(dòng)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(xiàng)目首席科學(xué)家，同時(shí)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(huì)與“納米研究”國家重大科學(xué)研究計(jì)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(shí)驗(yàn)、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(gè)方向延伸，就是帶領(lǐng)學(xué)生繼續(xù)破解“量子點(diǎn)”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(diǎn)雖小，但卻能做很多難以想象的事情。未來，我們會(huì)將量子點(diǎn)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(diǎn)為國家發(fā)展繼續(xù)‘大放異彩’”。（叢敏，攝影 宗琪琪）