“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，QuantumDots），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(TedSargent)。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。