“点”亮未来

　　宏观世界的经验在微观世界中将不再适用，取而代之的将是量子效应。而纳米尺度的物质，往往会给世界带来惊人的变化，量子点也许就是最亮的那个“点”。
　　
　　我们生活在一个以厘米、分米和米作为基本单位的宏观世界。但是，如果我们有一部倍数足够高的显微镜，就能看到许多奇妙的东西。我们会看到任何物质的细微组成部分，而继续放大下去，还会看到，它们又都是由更小的物质组合而成。
　　当我们继续放大显微镜，直到能够直接看到一个原子的时候，会看到不可思议的现象。实际上，“看”这个说法并不准确；但是我们可以用其他方法探知，在这个以百亿分之一米为单位的空间尺度上，物质会变得相当陌生，粒子和波的界限开始混淆起来，我们在宏观世界积累而来的常识，将不再适用。
　　例如，我们日常见到的大块物质，可以被认为是连续的；这种连续性不仅仅表现在外观上，也同样表现在能量的释放上。然而，这种连续却只是大量原子所表现出的统计结果。在原子的尺度上，物质的能量将变成分立的能级，单个原子在受激向外发出能量时，只能发出特定波长的光子。在这时，宏观物理效应将会失效，取而代之的则是量子效应。
　　1959年，诺贝尔奖获得者、物理学家理查德.费曼，曾经做过一次名为《在底层的大量空间》的演讲。他预言，人类将可以把分子甚至原子做为基础原料，在最微观的空间构建物质。毕竟世界是由原子构成的，而纳米尺度的物质，就足以给世界带来惊人的变化。
　　量子点（QD，Quantum Dots），就是可能改变我们生活的纳米材料之一。
　　
　　微小的荧光
　　“量子点”这个名称是美国耶鲁大学物理学家提出的，它是指一类特殊的纳米材料，往往是由砷化镓、硒化镉等半导体材料为核，外面包裹着另一种半导体材料而形成的微小颗粒。每个量子点颗粒的尺寸只有几纳米到数十纳米，包含了几十到数百万个原子。它是所谓的“零维”结构，内部的电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应特别显著。这也就意味着，它有着离散的能级结构。
　　这种能级结构意味着，量子点可以发出特定颜色的荧光。在吸收光子的能量后，量子点中的电子从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级，而在恢复稳定时，将会把能量以特定波长光子的方式放出。这种激发荧光的方式与其他半导体分子相似；而不同的是，量子点的荧光颜色，与其大小紧密相关：举例来说，当硒化镉量子点的粒径为2.1纳米时，将会发出蓝色的荧光；粒径5纳米时，荧光为绿色；而粒径在10纳米左右时，则会发出红光。
　　和其他的荧光材料相比，量子点的荧光亮度强、光稳定性好，而且只需要使用单色光，就能激发出多种不同颜色。这些优势让量子点的应用研究成为了热门领域，自20世纪70年代中期量子点的概念被提出到现在的30余年中，几乎所有的半导体材料都已经被制成过相应的量子点，并且在生物医药、光感测元件、存储和计算设备领域都有了实验性的应用；而近期的一些尝试则把量子点更进一步地带到我们身边，例如让人们看到体内蛋白质分子的运动规律、制造出更清晰更省电的显示器件，甚至是让手机摄像头达到单反相机的效果。
　　
　　标亮细胞，治愈癌症
　　常用的生物大分子检测方式是标记分析法，就是设法为不同的分子打上不同的标签，有点像是超市里每种不同的商品都有着不同的条形码一样。通过确认标记，就可以跟踪特定分子的活动。传统的标记方法有很多，而量子点荧光标记法，则是最有前途的方法之一。
　　虽然从上世纪80年代开始，生物学家就开始尝试使用量子点来检测生物活动，但是当时制备量子点的技术水平并不足以支持这种设想成真。直到上世纪90年代后半叶，量子点荧光指针的领域才迅速发展起来。现在，人们已经能够利用这种技术，实现从分子水平、细胞水平直到机体水平的检测，涵盖了从DNA检测直到观察胚胎或者癌细胞发育等诸多应用领域。
　　1998年，马塞尔.布鲁查兹和马里奥.莫里内发现，只要对量子点的表面进行恰当的修饰，就可以将其作为生物探针，探测活体细胞内的分子交换。在结合或传输过程中，这种方式并不会对细胞造成明显的干扰，因此人们可以通过这种方式，在分子水平上观察细胞的活动，对细胞活动的机制和方式获得更深的了解，以帮助人们更好地治愈疾病或者开发出特定的药物。
　　三年后，印第安纳大学的韩明勇和高虎成功地用量子点标记了DNA遗传序列。他们将不同数量、不同荧光特征的量子点组合进高分子微球之中，证实了可以使用这种方法对DNA的特定片段进行标记。理论上来说，只需要结合数种颜色和数种发光强度的量子点，就可以全部标记出人类所拥有的4万个基因；而每一种基因都可以有独特的颜色和光强编码，无疑拥有极其重大的意义。
　　2003年，高虎和乔治亚理工学院教授聂书明又再度拓展了量子点的使用范围，利用可成像的量子点标记活体中的癌细胞，并且证实了量子点标记并没有影响到细胞的生长发育。通过对癌细胞生长机制的深入了解，人们将能够更有效地杀灭它们。
　　事实上，新的方法现在已经初现端倪。2008年，时任华盛顿大学助理教授的高虎和聂书明合作，利用量子点向细胞内导入小分子干扰RNA，效率达到现有其他方法的10倍以上。小分子干扰RNA能够阻碍基因产生特定的蛋白质，从而治愈疾病。但是这项曾经荣获奥斯卡奖的发现，却因为干扰RNA的难以导入活体细胞而只能停留在实验阶段。
　　虽然对于量子点为什么能够帮助干扰RNA进入细胞，人们还不能给出一个确切的答案，但是已经确认，这种方法对细胞的毒性，只有传统方法的十分之一。这种方法可能并不会最终用于医疗；但是它的确指出了一个可行性很高的方向，也许可以帮助人们攻克一些遗传性疾病，以及治愈癌症。
　　
　　高质镜头，省电屏幕
　　另一方面，量子点荧光的高强度和色彩纯净度，使其具有相当巨大的潜在商业价值。一些企业已经开始探索量子点制品商业化的可能性，还有些激进的企业甚至已经拿出了样品。
　　对硅谷的InVisage公司来说，今年的情人节是个好日子。在这天，InVisage获得了英特尔投资提供的C轮风险投资，这不仅意味着离上市更近了一步，也意味着这家公司开发的技术获得了英特尔这家芯片大厂的认可。
　　2006年10月，InVisage公司成立。从成立那天开始，这家公司就只专注于一件事情：利用量子点技术，让手机摄像头能够拥有可媲美单反相机的拍摄效果。这种技术被命名为“量子胶片”（QuantumFilm），发明人就是公司的CTO，泰德.萨金特(Ted Sargent)。经历了三年多的研发时间，这家小公司终于实现了自己的目标。
　　目前，在相机和手机上常用的感光设备无非两类：电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）。虽然这两类器件都是利用硅片的光电效应成像，但是具体方式并不相同。CCD是将所有像素的电量依次导出，然后统一放大再输出成图片；而CMOS则是每个像素分别带有自己的放大器，直接将放大后的信号输出。原理差异也就导致了结构和性能的差异，CCD的表面主要由光电元件组成，而CMOS每个像素表面都被光电元件、辅助电路和放大器分割成几个部分。相比而言，同尺寸的CCD的感光面积大、成像性能稳定但是成本高；CMOS更省电、成像速度更快而成本低，但是低端CMOS的成像效果并不如CCD——而这正是InVisage的出发点。
　　量子胶片的原理，是在传统的CMOS上放置一层量子点薄膜。当光线射入镜头时，激发量子点发光，再将所有的光线集中到CMOS的感光面积上。这样，过去那些因为照射到线路上而损失的光线也能重新被利用起来，而量子点的高强光线能够让CMOS获得更多的电量，从而获得更好的对比度和画质。“图像传感器工业一直把注意力放在增加像素数量上，有时会看不到更长远的东西。”InVisage公司CEO杰斯.李说，“量子胶片技术将在极大程度上提高图像质量，这才是了不起的创新。”
　　
　　测试结果表明，量子胶片能够为CMOS提升4倍的性能，已经逼近硅片光电转化效率的极限。英特尔投资正是看中了这一特色，才为这家公司投下巨资：“手机和手持设备的图像传感器是一个巨大的市场机会，而InVisage将会从特别的角度获得不错的市场份额。”
　　现在，InVisage已经投入了试生产，并且广泛寻找合作伙伴。随着手机成为人们须臾不可离身的伙伴，这种高画质的手机镜头应该会受到更多的欢迎。
　　也同样是对高画质的渴望，让韩国的三星电子在今年2月份，宣告了全球第一款4英寸全彩色量子点显示屏。和广泛使用的液晶显示设备相比，量子点显示屏的颜色更纯粹、亮度更高、耗电只有液晶显示器的数分之一，而成本却只有液晶或者有机发光二极管（OLED）显示屏的一半。
　　与OLED显示器类似，量子点显示屏的每种颜色的像素都和一个薄膜发光二极管对应。二极管发光为量子点提供能量，激发量子点发出不同强度、不同颜色的光线，在人眼中组合成一幅图像。由于量子点发光波长范围极窄，颜色非常纯粹，所以量子点显示器画面比液晶画面更加清新明亮。
　　现在韩国几家研究机构和商业公司正在开发更大的量子点显示屏，希望能够应用到电视、电脑和手机之类的电子消费品上。虽然目前的技术还称不上完美，但是研究人员表示，大概在三年之内，就会研发出商业化的产品。
　　对于今天这个以摩尔定律驱动的世界来说，三年差不多意味着一个新时代。也许这个新时代将会是以量子点的辉煌开始，而它为我们带来的将并不只是一点点荧光，而是通亮的坦途。
　　
　　“量子点”是一类特殊的纳米材料。在吸收光子的能量后，量子点中的电子从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级，将会把能量以特定波长光子的方式放出。
　　
　　“点”亮显示器
　　液晶显示器（Liquid-crystal displays），或称LCD——在电视机、电脑和手机中都可以找到——非常低效：其复杂的光学层舍弃了其内部产生的超过90%的光线，部分原因在于这些光线是不需要的颜色。2011年年底韩国电子公司LG推出的产品显示器将有更宽的色域范围，并且通过更多地利用那些通常被舍弃的光线来延长电池寿命。
　　研究公司Display Search的高级分析师保罗.西门扎（Paul Semenza）说：“液晶显示器非常低效，而且几十年来都没有很大改进。” 所有主要的显示器制造商都致力于提高液晶显示器效率的技术，特别是便携式电子产品如电子阅读器和手机，对于这些产品来说电池寿命是最重要的。
　　这些显示器效率低的一个原因在于背光源本身。因为液晶显示器内的光学器件舍弃了很多光线，背光源不得不变得非常明亮来生成好的图像。西门扎说：“创建白光很麻烦，你必须要有颜色过滤器阻止大多数光线出来。”有些显示器通过使用红色、蓝色和黄色的发光二极管（LED），而不是一个白色的荧光灯泡来解决这个问题。但这很昂贵，而且并不是所有的LED都是一样的：比如蓝色的LED将电转换成光线的效率更高。纳米系统公司已经为蓝色LED 显示器背光源开发了一种配件，能把某些蓝色光线转换成能与液晶屏过滤器相匹配的狭窄范围内确定波长的红色和绿色光。该公司的“Quantumrail”是一种薄的细管，可以附加到背光源上，包含可以转换光线的悬浮量子点。
　　量子点这个名字来源于其特殊的性质：当结构处于纳米级别时，某些半导体材料——比如镉——的光学和电子特性是由其大小决定的。传统的半导体材料在受到电子或光子的激发时会发出特定颜色的光——这就是发光二极管的工作原理。将量子点的大小仔细控制在纳米级别，就能够精确调整二极管发出光的颜色。
　　在西雅图会议上展出的整合了纳米系统公司的Quantumrail技术的显示器，比传统的液晶显示器有更好的色彩饱和度。一个好的笔记本电脑显示器可以产生72%的颜色——由常用的色彩饱和度测量所要求的，被称为国家电视系统委员会标准，但LG公司的显示器能产生103%的颜色——也就是它可以显示不包含在本标准中的颜色。根据纳米系统公司所说，低功耗运行显示器产生72%的色彩饱合度，可以增加10%的电池寿命。
　　
　　量子点显示屏的每种颜色的像素都和一个薄膜发光二极管对应。由于量子点发光波长范围极窄，颜色非常纯粹，所以量子点显示器画面比液晶画面更加清新明亮。