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我們生活在一個以厘米、分米和米作為基本單位的宏觀世界。 但是，如果我們有一部倍數足夠高的顯微鏡，就能看到許多奇妙的東西。 我們會看到任何物質的細微組成部分，而繼續放大下去，還會看到，它們又都是由更小的物質組合而成。

當我們繼續放大顯微鏡，直到能夠直接看到一個原子的時候，會看到不可思議的現象。 實際上，“看”這個說法並不准確;但是我們可以用其他方法探知，在這個以百億分之一米為單位的空間尺度上，物質會變得相當陌生，粒子和波的界限開始混淆起來，我們在宏觀世界積累而來的常識，將不再適用。

例如，我們日常見到的大塊物質，可以被認為是連續的;這種連續性不僅僅表現在外觀上，也同樣表現在能量的釋放上。 然而，這種連續卻只是大量原子所表現出的統計結果。在原子的尺度上，物質的能量將變成分立的能級，單個原子在受激向外發出能量時，只能發出特定波長的光子。 在這時，宏觀物理效應將會失效，取而代之的則是量子效應。

1959年，諾貝爾獎獲得者、物理學家理查德.費曼，曾經做過一次名為《在底層的大量空間》的演講。 他預言，人類將可以把分子甚至原子做為基礎原料，在最微觀的空間構建物質。 畢竟世界是由原子構成的，而納米尺度的物質，就足以給世界帶來驚人的變化。

量子點(QD，Quantum Dots)，就是可能改變我們生活的納米材料之一。

微小的熒光

“量子點”這個名稱是美國耶魯大學物理學家提出的，它是指一類特殊的納米材料，往往是由砷化鎵、硒化鎘等半導體材料為核，外麵包裹著另一種半導體材料而形成的微小顆粒。 每個量子點顆粒的尺寸只有幾納米到數十納米，包含了幾十到數百萬個原子。 它是所謂的“零維”結構，內部的電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子限域效應特別顯著。 這也就意味著，它有著離散的能級結構。

這種能級結構意味著，量子點可以發出特定顏色的熒光。 在吸收光子的能量後，量子點中的電子從穩定的低能級躍遷到不穩定的高能級，而在恢復穩定時，將會把能量以特定波長光子的方式放出。 這種激發熒光的方式與其他半導體分子相似;而不同的是，量子點的熒光顏色，與其大小緊密相關：舉例來說，當硒化鎘量子點的粒徑為2.1納米時，將會發出藍色的熒光;粒徑5納米時，熒光為綠色;而粒徑在10納米左右時，則會發出紅光。

和其他的熒光材料相比，量子點的熒光亮度強、光穩定性好，而且只需要使用單色光，就能激發出多種不同顏色。 這些優勢讓量子點的應用研究成為了熱門領域，自20世紀70年代中期量子點的概念被提出到現在的30餘年中，幾乎所有的半導體材料都已經被製成過相應的量子點，並且在生物醫藥、光感測元件、存儲和計算設備領域都有了實驗性的應用;而近期的一些嘗試則把量子點更進一步地帶到我們身邊，例如讓人們看到體內蛋白質分子的運動規律、製造出更清晰更省電的顯示器件，甚至是讓手機攝像頭達到單反相機的效果。

標亮細胞，治愈癌症

常用的生物大分子檢測方式是標記分析法，就是設法為不同的分子打上不同的標籤，有點像是超市裡每種不同的商品都有著不同的條形碼一樣。 通過確認標記，就可以跟踪特定分子的活動。 傳統的標記方法有很多，而量子點熒光標記法，則是最有前途的方法之一。

雖然從上世紀80年代開始，生物學家就開始嘗試使用量子點來檢測生物活動，但是當時製備量子點的技術水平並不足以支持這種設想成真。 直到上世紀90年代後半葉，量子點熒光指針的領域才迅速發展起來。 現在，人們已經能夠利用這種技術，實現從分子水平、細胞水平直到機體水平的檢測，涵蓋了從DNA檢測直到觀察胚胎或者癌細胞發育等諸多應用領域。

1998年，馬塞爾.布魯查茲和馬里奧.莫里內發現，只要對量子點的表面進行恰當的修飾，就可以將其作為生物探針，探測活體細胞內的分子交換。 在結合或傳輸過程中，這種方式並不會對細胞造成明顯的干擾，因此人們可以通過這種方式，在分子水平上觀察細胞的活動，對細胞活動的機制和方式獲得更深的了解，以幫助人們更好地治癒疾病或者開發出特定的藥物。

三年後，印第安納大學的韓明勇和高虎成功地用量子點標記了DNA遺傳序列。 他們將不同數量、不同熒光特徵的量子點組合進高分子微球之中，證實了可以使用這種方法對DNA的特定片段進行標記。 理論上來說，只需要結合數種顏色和數種發光強度的量子點，就可以全部標記出人類所擁有的4萬個基因;而每一種基因都可以有獨特的顏色和光強編碼，無疑擁有極其重大的意義。

2003年，高虎和喬治亞理工學院教授聶書明又再度拓展了量子點的使用範圍，利用可成像的量子點標記活體中的癌細胞，並且證實了量子點標記並沒有影響到細胞的生長發育。 通過對癌細胞生長機制的深入了解，人們將能夠更有效地殺滅它們。

事實上，新的方法現在已經初現端倪。 2008年，時任華盛頓大學助理教授的高虎和聶書明合作，利用量子點向細胞內導入小分子乾擾RNA，效率達到現有其他方法的10倍以上。小分子乾擾RNA能夠阻礙基因產生特定的蛋白質，從而治癒疾病。 但是這項曾經榮獲奧斯卡獎的發現，卻因為乾擾RNA的難以導入活體細胞而只能停留在實驗階段。

雖然對於量子點為什麼能夠幫助干擾RNA進入細胞，人們還不能給出一個確切的答案，但是已經確認，這種方法對細胞的毒性，只有傳統方法的十分之一。 這種方法可能並不會最終用於醫療;但是它的確指出了一個可行性很高的方向，也許可以幫助人們攻克一些遺傳性疾病，以及治愈癌症。

高質鏡頭，省電屏幕

另一方面，量子點熒光的高強度和色彩純淨度，使其具有相當巨大的潛在商業價值。一些企業已經開始探索量子點製品商業化的可能性，還有些激進的企業甚至已經拿出了樣品。

對矽谷的InVisage公司來說，今年的情人節是個好日子。 在這天，InVisage獲得了英特爾投資提供的C輪風險投資，這不僅意味著離上市更近了一步，也意味著這家公司開發的技術獲得了英特爾這家芯片大廠的認可。

2006年10月，InVisage公司成立。 從成立那天開始，這家公司就只專注於一件事情：利用量子點技術，讓手機攝像頭能夠擁有可媲美單反相機的拍攝效果。 這種技術被命名為“量子膠片”(QuantumFilm)，發明人就是公司的CTO，泰德.薩金特(Ted Sargent)。 經歷了三年多的研發時間，這家小公司終於實現了自己的目標。

目前，在相機和手機上常用的感光設備無非兩類：電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)。 雖然這兩類器件都是利用矽片的光電效應成像，但是具體方式並不相同。 CCD是將所有像素的電量依次導出，然後統一放大再輸出成圖片;而CMOS則是每個像素分別帶有自己的放大器，直接將放大後的信號輸出。 原理差異也就導致了結構和性能的差異，CCD的表面主要由光電元件組成，而CMOS每個像素表面都被光電元件、輔助電路和放大器分割成幾個部分。 相比而言，同尺寸的CCD的感光面積大、成像性能穩定但是成本高;CMOS更省電、成像速度更快而成本低，但是低端CMOS的成像效果並不如CCD——而這正是InVisage的出發點。

量子膠片的原理，是在傳統的CMOS上放置一層量子點薄膜。 當光線射入鏡頭時，激發量子點發光，再將所有的光線集中到CMOS的感光面積上。 這樣，過去那些因為照射到線路上而損失的光線也能重新被利用起來，而量子點的高強光線能夠讓CMOS獲得更多的電量，從而獲得更好的對比度和畫質。 “圖像傳感器工業一直把注意力放在增加像素數量上，有時會看不到更長遠的東西。”InVisage公司CEO傑斯.李說，“量子膠片技術將在極大程度上提高圖像質量，這才是了不起的創新。”

測試結果表明，量子膠片能夠為CMOS提升4倍的性能，已經逼近矽片光電轉化效率的極限。 英特爾投資正是看中了這一特色，才為這家公司投下巨資：“手機和手持設備的圖像傳感器是一個巨大的市場機會，而InVisage將會從特別的角度獲得不錯的市場份額。”

現在，InVisage已經投入了試生產，並且廣泛尋找合作夥伴。 隨著手機成為人們須臾不可離身的伙伴，這種高畫質的手機鏡頭應該會受到更多的歡迎。

也同樣是對高畫質的渴望，讓韓國的三星電子在今年2月份，宣告了全球第一款4英寸全彩色量子點顯示屏。 和廣泛使用的液晶顯示設備相比，量子點顯示屏的顏色更純粹、亮度更高、耗電只有液晶顯示器的數分之一，而成本卻只有液晶或者有機發光二極管(OLED)顯示屏的一半。

與OLED顯示器類似，量子點顯示屏的每種顏色的像素都和一個薄膜發光二極管對應。二極管發光為量子點提供能量，激發量子點發出不同強度、​​不同顏色的光線，在人眼中組合成一幅圖像。 由於量子點發光波長范圍極窄，顏色非常純粹，所以量子點顯示器畫面比液晶畫面更加清新明亮。

現在韓國幾家研究機構和商業公司正在開發更大的量子點顯示屏，希望能夠應用到電視、電腦和手機之類的電子消費品上。 雖然目前的技術還稱不上完美，但是研究人員表示，大概在三年之內，就會研發出商業化的產品。

對於今天這個以摩爾定律驅動的世界來說，三年差不多意味著一個新時代。 也許這個新時代將會是以量子點的輝煌開始，而它為我們帶來的將並不只是一點點熒光，而是通亮的坦途。

“點”亮顯示器

液晶顯示器(Liquid-crystal displays)，或稱LCD——在電視機、電腦和手機中都可以找到——非常低效：其複雜的光學層捨棄了其內部產生的超過90%的光線，部分原因在於這些光線是不需要的顏色。 2011年年底韓國電子公司LG推出的產品顯示器將有更寬的色域範圍，並且通過更多地利用那些通常被捨棄的光線來延長電池壽命。

研究公司Display Search的高級分析師保羅.西門扎(Paul Semenza)說：“液晶顯示器非常低效，而且幾十年來都沒有很大改進。” 所有主要的顯示器製造商都致力於提高液晶顯示器效率的技術，特別是便攜式電子產品如電子閱讀器和手機，對於這些產品來說電池壽命是最重要的。

這些顯示器效率低的一個原因在於背光源本身。 因為液晶顯示器內的光學器件捨棄了很多光線，背光源不得不變得非常明亮來生成好的圖像。 西門扎說：“創建白光很麻煩，你必須要有顏色過濾器阻止大多數光線出來。”有些顯示器通過使用紅色、藍色和黃色的發光二極管(LED)，而不是一個白色的熒光燈泡來解決這個問題。 但這很昂貴，而且並不是所有的LED都是一樣的：比如藍色的LED將電轉換成光線的效率更高。 納米系統公司已經為藍色LED 顯示器背光源開發了一種配件，能把某些藍色光線轉換成能與液晶屏過濾器相匹配的狹窄範圍內確定波長的紅色和綠色光。 該公司的“Quantumrail”是一種薄的細管，可以附加到背光源上，包含可以轉換光線的懸浮量子點。

量子點這個名字來源於其特殊的性質：當結構處於納米級別時，某些半導體材料——比如鎘——的光學和電子特性是由其大小決定的。 傳統的半導體材料在受到電子或光子的激發時會發出特定顏色的光——這就是發光二極管的工作原理。 將量子點的大小仔細控制在納米級別，就能夠精確調整二極管發出光的顏色。

在西雅圖會議上展出的整合了納米系統公司的Quantumrail技術的顯示器，比傳統的液晶顯示器有更好的色彩飽和度。 一個好的筆記本電腦顯示器可以產生72%的顏色——由常用的色彩飽和度測量所要求的，被稱為國家電視系統委員會標準，但LG公司的顯示器能產生103%的顏色——也就是它可以顯示不包含在本標準中的​​顏色。 根據納米系統公司所說，低功耗運行顯示器產生72%的色彩飽合度，可以增加10%的電池壽命。