从落后追赶到弯道超车这个南开团队“瞄准”量子点

发布时间：2024-10-05 19:19:45 157次浏览来源：南开大学微信公众号

南开大学化学南楼4楼，是化学学院教授庞代文办公及做实验的地方。在楼道边的一个展柜里，除了自己和团队获得的诸多荣誉外，还摆放着很多五颜六色的瓶瓶罐罐。里面装着的是一种清澈且均匀的液体——量子点。

什么是量子点？用化学专业术语介绍，它就是纳米尺寸的半导体晶体。而令人惊奇的是，这些颜色并不是靠后期“染”上去的，而是天然“光”。“由于材料的尺寸不同，会呈现出不同的颜色”，庞代文介绍说，“这就是它的神奇之处，用同一种材料，可以实现可见光范围内全光谱覆盖。如果同时改变组成和尺寸，则几乎可以按需得到可见至中红外光谱范围内任意波长的发光材料，用途十分广泛。”

小小的量子点，蕴藏着巨大的光转换能力。因为这一特殊性能，让量子点在生物标记成像与示踪、光催化、显示、照明等领域“大有可为”。

庞代文二十多年来深耕量子点，带领团队攻克了现有量子点不耐高温加工的世界性难题，并在此基础上研发出性能更强、成本更低的光扩散板，为新型显示领域带来新的发展机遇。“耐高温加工量子点及其光扩散板”项目日前摘得了2023年度天津市唯一一项技术发明特等奖。

“更强”的量子点

量子点光电显示技术是当下十分具有市场发展前景的方向，但推进其广泛应用仍面临诸多难题，其中最难的便是如何在工业生产中实现量子点性能精准控制和使役的长期稳定性。多年研究令庞代文发现：极小的粒径与极高的表面原子占比，导致了纳米材料处于“亚稳态”，缺乏足够稳定性。

“我认为量子点是目前发光性质最好的发光材料，没有任何一种材料的发光性质能够超过它。但量子点必须能耐受高温熔融挤出加工和随后在光、热、水、氧极端条件下的破坏，才可能在显示器上经受长达10年的考验，这是一个巨大的挑战。”庞代文介绍道。

使用高分子水氧阻隔膜形成保护量子点的“三明治”结构，是当下保护量子点十分有效的方法。但居高不下的成本和被国外垄断的技术，令国内市场面临潜在的“卡脖子”难题。

2001年进入到量子点研究领域以来，庞代文便和团队一起向这一世界难题发起攻关。经过20多年的潜心系统研究，通过综合考虑量子点的发光核、限域层、配体层、应用场景等因素，团队成功合成出了荧光量子产率接近100%、荧光半峰宽约20nm的高质量量子点，为其广色域背光显示应用奠定了坚实的基础。此外，精巧设计量子点的“多壳层+厚壳层+杂合层”等多级复合结构，成功将量子点提升到可耐250 °C高温熔融加工。

“更强”的量子点诞生，为量子点在显示领域占领一席之地注入了新的动力。

为千家万户带来“睛”彩

要想真正实现规模化应用，除了提升量子点本身的性能，还必须同时解决高产量、低成本和低价格的问题。这座“山峰”，庞代文带领团队继续攀登。

2014年，为攻克高质量量子点的大规模制造难题，团队创造性地发展了非注射的往复式升温策略，将年产能提升至超1吨，实现了毫克级至公斤级的超万倍放大。在此基础上，团队成功研制世界首款非隔离保护的宽色域量子点-聚苯乙烯光扩散板，让量子点显示技术更完美。

量子点光扩散板背光技术示意图

团队摒弃了现行的“水氧阻隔膜”保护的量子点光转换膜，将起色转换作用的量子点与起均光作用的扩散板器件相融合，首创“量子点光扩散板”的背光新模式。产品稳定性不仅满足实用要求，并在保证性能的前提下，成本降低50%以上，实现了从落后追赶到弯道超车的飞跃。

创业之路难免荆棘丛生，庞代文及团队成员其间也经历了重重考验。高额的研发费用、量子点迟迟无法兑现的市场潜力、外界的不断质疑……面对接踵而至的困难和挑战，庞代文从未想过退缩，“既然看好了，就要一直做下去”。团队努力优化研发技术，埋头苦干，终于在不懈坚持中迎来了胜利的曙光。

如今，这一拥有完全中国自主知识产权的新技术得到了海信、创维、TCL等龙头企业的重视，并被天津市科学技术评价中心鉴定为“达到了国际领先水平”。量子点光扩散板已用于数百万台量子点电视机，在显示领域初放异彩。

左图：商品化75吋量子点电视；右图：同品牌75吋普通电视

“量子点光扩散板技术更好地推动了量子点在液晶显示领域的应用，为液晶显示面板带来了更好的显示性能。不仅让色彩和亮度大幅提升，也在节能方面产生了积极影响。”庞代文说。

二十年追梦他带“光”奔跑

2023年的诺贝尔化学奖授予了三位“量子点的发现与合成”的科学家，成为纳米科技发展的里程碑事件。量子点从发现到得到广泛重视，再到获得诺贝尔奖，历经了43年，是几代人努力的积累。这位南开教授也留下了几十年如一日潜心探索的足迹。

“其实，高科技产业的一点点进步都非常艰难，其关键还在于基础研究。只有透彻的基础研究，才是中国高科技产业发展之根本！”谈及一路走来的心路历程，庞代文说，“唯有坚持，才能在风口散去，追风人离去之后，找到更多的发展机会。”

基于耐高温量子点发展的背光液晶显示技术，是面向我国传统生产力向新质生产力转变需求、满足我国发展高附加值产业目标的重要成果，将为提高我国在显示领域的国际地位，从源头上占领未来产业制高点产生积极影响。而除了在显示领域的突破性研究，庞代文在生物医学领域也取得了重要进展。

他打破传统思路，开创了量子点活细胞合成方法和相应的标记技术，突破了单病毒定点定量标记等生物分析方法学瓶颈，实现了单个病毒感染等动态生命过程的多重微弱生化信息的获取与解析。他不仅先后两次担任国家973项目首席科学家，同时长期担任国家纳米科学技术指导协调委员会与“纳米研究”国家重大科学研究计划专家组成员。