在这几个月寒冷昏暗的冬日里，不妨想想人造光。从增添节日气氛的串灯，到缓解季节性情感障碍的人工日光灯，它们点亮了我们的生活。光的应用远不止于此。联合国将2015年定为 国际光和光基技术年 ，旨在提高人们对光子技术如何为国际挑战提供解决方案的认识。如今，光技术已成为能源、健康和农业领域的活跃研究方向。
照亮前路
19世纪末，托马斯·爱迪生发明了实用灯泡——一种由电力驱动、经久耐用的光源，显著改变了我们的工作、娱乐和睡眠习惯。以新的方式控制光，改变了我们体验和观察世界的方式。光纤网络等光技术让我们能够通过互联网迅速与世界各地的人们联系。发光二极管（LED）如今无处不在，从智能手机等消费电子产品到家用照明灯泡，皆有应用。
CoeLux 人造天窗运用技术模拟我们最重要的光源：太阳。 詹姆斯·霍洛韦。
一个近期的例子是人工天窗，它由研究人员发明；他们花了十多年时间改进 CoeLux 系统。这项发明荣获 2014年卢克斯奖 年度光源创新奖，可以覆盖房间的天花板，模拟来自不同纬度的阳光，从赤道到北欧皆可。它成功再现晴朗天空的关键，是利用纳米结构材料散射LED发出的光，其方式与大气中的微小颗粒散射阳光相同，这种现象称为瑞利散射。欧盟委员会为该项目提供的资金推动了光管理和纳米技术方面的科学进展，也促成了设备的完成；这种设备有望改善室内环境的生活质量，适用场所包括医院和地下停车场。
照亮研究之路
直到最近，人们才充分认识到LED用于普通照明的全部价值。红色和绿色LED已商业应用十多年，但要产生白光，缺少的颜色是蓝色。赤崎勇、天野浩和中村修二在20世纪90年代初破解了蓝光难题。如今，多亏他们的工作，白光LED已无处不在。为了表彰这项节能发明，他们于去年获得了诺贝尔 物理学 奖。
去年，诺贝尔 化学 奖也表彰了光学显微镜工具；这些工具运用一些巧妙方法来感知单个分子的存在。显微镜曾受衍射限制：只有当两个相邻物体之间的距离大于成像所用光波长的一半时，才能将它们区分开来。但诺贝尔奖得主埃里克·贝齐格、斯特凡·赫尔和W·E·莫尔纳分别采用不同方法，却基于相似原理突破衍射屏障，通过控制单个分子的荧光来清晰观察它们。科学家将分子发出的光开启或关闭，从而重建出纳米尺度上的分子位置。
其原理如下：首先用一个弱光脉冲激发一部分荧光分子或蛋白质。待其发光消退后，再激发另一组荧光分子。如此反复开关，随后对图像进行处理并叠加，形成单个蛋白质的高分辨率图谱。我们才刚刚开始利用这种能力窥探活细胞的纳米世界，例如观察蛋白质如何在阿尔茨海默病和亨廷顿病等疾病的最早期阶段聚集。在单分子层面了解疾病进程，或有助于确定何时进行早期干预更为有利。
投资者必须看到这束光
光是一门贯通化学、物理等领域的科学，能够改善我们的生活和世界。但学会操控光成本高昂，也需要时间。相关技术很大程度上建立在基础科学研究投资之上，当然也离不开偶然发现和机缘巧合。以LED为例。 蓝光LED研究 始于40多年前，当时美国无线电公司（Radio Corporation of America）启动了相关研究；但公司的资金结构变化使研发停滞了二十年，直到去年的诺贝尔奖得主解决了材料问题和规模化生产流程。
持续、稳定地支持基础研究，对开发尚未想象或见到、却可能彻底改变日常生活的未来技术至关重要。例如在农业领域，更有效地收集太阳能并通过温室将其转化为热能，或可实现全年生产，并让人们获得目前在某些气候条件下无法种植的作物。
作为一名化学研究人员，我和团队发明了一种 尺寸与病毒颗粒相当的激光器。按照传统的光控制方法，这本应不可能实现；但金属纳米颗粒能够将光压缩到很小的体积中，因此这一发明成为现实。这些微型激光器是很有前景的光源，可用于以高带宽发送和接收数据，也可用于检测痕量分子或生物制剂。
制造我们的纳米激光器，需要精确控制相邻金纳米颗粒的形状和位置。这种纳米结构之所以能够制成，得益于电子行业数十年来持续投资开发纳米制造工具，以制造计算机中的微小组件。正如去年的诺贝尔化学奖和物理学奖所彰显的，对基础研究和应用研究的投资都至关重要。
联合国将这一年定为国际光年，将使这类创新的潜力以及继续投资未来技术的必要性受到关注。从摆脱冬日忧郁的新方法，到在狭小空间中操控光，人造光的发展前景确实一片光明。
本文由 The Conversation合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：特丽·奥多姆是西北大学化学教授。
图片：2009年8月31日，在慕尼黑的一套公寓内可以看到传统白炽灯泡。欧盟轮值主席国一名发言人于2008年12月表示：“白炽灯泡将于2009年9月至2012年9月期间逐步淘汰。”欧洲家庭最初改用效率更高的卤素灯、LED灯和紧凑型荧光灯（CFL），每年最多可节省50欧元（65美元）；随着价格较高但寿命更长的灯泡成本下降，节省金额还会增加。
