近日，工信部和國務院國資委聯合發布了第一批前沿材料産業化重點發展指導目錄，旨在加快前沿材料産業化創新發展。新材料産業是戰略性、基礎性産業，前沿材料代表新材料産業發展的方向與趨勢，是構建新的增長引擎的重要切入點。今起，本版推出“前沿材料觀察”系列報道，對前沿材料的創新研究方向、産業發展現狀、未來應用前景等進行深入解讀。日前，2023年诺贝尔化学奖花落“量子点”。美籍法国–突尼斯裔化学家蒙吉 G.巴文迪（Moungi G.Bawendi），美国化学家路易斯 E.布鲁斯（Louis E.Brus）和俄罗斯物理学家阿列克谢 I.叶基莫夫（Alexei I. Ekimov）因“发现和合成量子点”获得2023年诺贝尔化学奖。量子点是一类微小颗粒，已经应用在多个领域。例如，电视屏幕和LED灯的光线传导都与量子点相关，它们可以催化化学反应，发出的光线也能为外科医生照亮肿瘤组织。“我国在《前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）》中，就明确提出发展量子点材料，这是非常具有战略眼光的。”中国科学院半导体研究所研究员杨晓光对科技日报记者表示，“我国在量子点材料相关科研和产业方面，均处于国际领先水平，可将其打造为我国未来的长板产业。”量子点材料是一种准零维的纳米材料，由少量的原子构成，具有高发光效率、高色纯度、高色域、可溶液加工等特点。量子点材料具体包括蓝色磷光材料、硅基量子点频梳激光器材料等，可应用于新一代信息技术等领域。“量子点也称为半导体纳米晶，是少量原子组成的、三个维度尺寸通常是1—100纳米的零维纳米结构。”厦门大学材料学院教授解荣军表示，一个量子点具有少量的电子、空穴或电子—空穴对，量子点也被称为“人工原子”。在量子点材料中，胶体量子点材料是研究、应用最广泛的一类。胶体量子点材料通常采用化学合成方法制备，具体操作是将金属的有机或无机物溶液溶胶固化形成量子点，分散于溶剂中。与诸多改变人类发展进程的重大发现一样，量子点也是被偶然发现的。阿列克谢 I.叶基莫夫于1980年在研究彩色玻璃时发现了纳米颗粒的尺寸依赖性质，标志着量子点的发现；1983年，路易斯 E.布鲁斯在研究硫化镉胶体溶液后提出了量子点光学性质的量子尺寸效应；蒙吉 G.巴文迪于1993年提出了具有划时代意义的“热注射法”，制备出了均匀、尺寸可调的高质量量子点，极大地推动了该研究领域的发展。三位科学家的突破性工作为量子点技术的发展铺平了道路，将其从实验室推向实际应用。“这些纳米级的粒子，因其独特的量子性质，为现代科技带来了广阔的发展前景。”解荣军说。

      據楊曉光介紹，在半導體領域，1986年，日本東京大學的荒川教授（Arakawa）提出並預測了半導體材料結構從二維量子阱演變到零維量子點後材料性能的變化。此後，將量子點材料應用于光電器件，特別是激光器成爲重要的技術發展趨勢。一個典型例子是量子點激光器可以在200℃的高溫下正常工作，遠超傳統半導體激光器的工作溫度上限。據解榮軍介紹，量子點材料最具商業價值的應用是在高清顯示領域，包括電視、電腦、平板電腦、手機等，具有萬億級市場規模。在精確控制下不同尺寸的量子點，在受到外來能量激發後，可發出對應波長的光，這是量子點材料用于顯示應用的第一個關鍵優勢。量子點材料的第二個關鍵優勢是它們的發光光譜非常窄，使得其發光顔色異常純淨，使顯示屏幕可以呈現更鮮豔、更真實的顔色。溶液可加工性是量子點材料的第三個關鍵優勢，這意味著材料加工成本低且與多種化學溶劑有兼容性。量子點材料問世之初，就有學者根據量子點獨特的光電特性預測，其主要應用領域將首先集中在電子與光學方面。事實上，率先推動了量子點技術落地的領域，正是顯示産業。2013年，日本索尼公司率先發布了量子點背光源的液晶電視，使液晶顯示（LCD）再次具備與有機發光二極管（OLED）一競高下的實力。國內企業TCL在2016年推出搭載量子點背光的液晶電視，此後，量子點材料廣泛應用于國內外中高端液晶電視、顯示器、筆記本、平板電腦中。“量子點材料使得顯示屏可以更柔性、像素更密、色域更寬。”楊曉光說。“目前，商用的量子點背光源技術（QD-LCD）仍屬于量子點顯示應用的初級階段。”解榮軍說，其主要原因在于高質量的量子點材料通常需要複雜的工藝和原材料制造，高昂的制造成本限制了大規模商業化應用的發展；一些量子點材料可能含有镉等有害元素，對環境和人類健康造成潛在威脅；直流電通過量子點薄膜會發生量子點充電，隨著量子點帶電，電流通過器件並維持量子點電致發光變得越來越困難等。量子點顯示只是一道“開胃菜”。量子點材料並未止步于顯示，生物成像、傳感器、太陽能電池等都將成爲它的應用落地場景。“今天，量子點材料已成爲納米技術中不可或缺的部分，在生物化學、醫學等領域，量子點材料都具有廣泛的應用。”解榮軍表示，量子點材料抗退化，亮度是有機染料的10—20倍，該特性可以使量子點熒光探針對細胞生命過程進行更長時間的跟蹤；量子點材料具有化學惰性且具有較大的比表面積，保證了較高的載藥能力，因此可以在生物系統中標記納米載體，適用于治療性藥物輸送；量子點材料還具有表面修飾的可行性，可以通過相互作用與肽、碳水化合物、DNA片段、病毒和天然産物進行生物偶聯。這些應用不僅顯示了量子點材料在生物醫學研究中的潛力，也爲我們提供了探索生命過程和疾病治療的新途徑。楊曉光表示，目前我國在量子點材料研究及其産業應用方面，均處于國際先進水平。量子點材料很有希望成爲我國在光電、信息、顯示等領域的“強手棋”。楊曉光說，目前我國數據中心加速建設，能耗成爲關鍵卡點。高密度的光電器件在工作中産生大量的熱，光電器件性能對溫度又非常敏感，因此數據中心需要大量的能量進行光電器件的降溫。據統計，溫控能耗占了中心總能耗的四成左右。如果采用可高溫工作的量子點激光器，數據中心的能耗將大幅降低。“高溫場景只是量子點激光器的應用環境之一，其在高密度片上光電集成、高精度測量、光量子生成等領域中已展現出重要優勢。”楊曉光說。“諾貝爾獎的頒布帶動了量子點材料的關注度，有望進一步推動其産業化發展，使其在更多領域發揮價值。”解榮軍表示，正如諾貝爾獎頒獎介紹材料中所說：我們才剛剛開始探索量子點的潛力。

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