美国科学院院士杨培东:中国更适合孕育材料和能源新技术

澎湃新闻记者 虞涵棋

2017-11-04 08:32 来源:澎湃新闻

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美国国家航空航天局(NASA)的火星移民计划还有 16 年倒计时,在生存环境经费和技术上却面临着重重困难。氧气和能源,就是两项首要的挑战。人工光合作用,或许是一种解决方案。
10月 28 日,美国科学院院士、美国艺术与科学院院士、纳米材料学家杨培东在未来科学大奖年会上向澎湃新闻(www.thepaper.cn)介绍道,他的团队在研究人工光合作用时主要考虑应对地球气候变暖问题,而现在看来,火星可能是个更有潜力的应用场景。
杨培东 资料图
杨培东团队在 3年前取得了人工光合作用领域的“划时代”成果,利用半导体纳米导线和细菌组成的系统,在自然光照下将二氧化碳和水转化成醋酸酯,效率与自然界的叶片相当。
这立刻引起了 NASA 的注意。火星大气层中的二氧化碳含量高达 96%。人工光合作用能把二氧化碳和水转化为氧气和各种化学品,把太阳能转化为能量密度最大的化学能。
为此,NASA 在杨培东所在的加州大学伯克利分校设立了太空技术研究院,专攻人工光合作用。初步构想是在 5-10 年内,帮助解决最早一批登陆火星的宇航员的氧气和能源问题,以及种植植物的肥料问题。
杨培东去年还在苏州工业园建立了纳米材料方面的研发和孵化机构。比起美国高昂的制造业成本,杨培东认为,中国的土壤更适合孕育材料和能源领域的新技术,可谓天时地利人和。
纳米材料:中国将进入科研新阶段
提高人工光合作用的效率,纳米材料功不可没:半导体纳米导线吸收光,依靠含有金属纳米颗粒的催化剂进行能量转化。
杨培东介绍道,纳米科技是从 80年代初兴起的前沿科学,在这个过程中,从量子点到碳 60到碳纳米管到半导体纳米导线到石墨烯,再到现在的二维材料,基本上每过几年就会有一类新的材料出来,并马上成为一个大的研究方向。
中国在纳米材料领域的布局很早,差不多和国际上同步。中国在纳米科技上的研究份额目前占世界第一,发表的文章、专利、科研人员数量世界领先。前述的一系列新型材料,虽然不是在国内被发现的,但都是由中国大批的科研人员推到了一个很高的高度。不过,在过去的几十年中,中国还未能发挥真正的引领作用。
杨培东预期,中国的纳米科研即将进入一个新的状态。大批科研人员正在逐渐产生很多原创性的成果,国家对该领域的投入又非常大。中国的引领作用应该会慢慢显现。
原创性成果的难度是显而易见的。杨培东专注的人工光合作用,就是一个前所未有的领域。杨培东团队从 15 年前开始研究,在基础科学上遇到了很多问题:选择什么样的材料、发展什么样的催化剂、如何把它们结合在一起。“所以在基础科学的这个角度,我们也整整花了至少 12年的时间慢慢琢磨出来。在三年前,我们才宣布第一次把这个概念做了出来。” 
杨培东团队研究人工光合作用的基础科学花了十多年,而转化成一个真正的产业,还需要更长的时间。这其中,不仅要考虑高效率的光吸收,也需要在太阳下稳定地工作很多年,更要解决成本的问题。“太阳能电池是六七十年前发明的,到现在也就是这么一个地步。在全球范围的能源结构中,太阳能电池的份额还是很小很小的。所以应该说是一个比较长期的过程,但我相信这一天是会到来的。”
半导体纳米导线:集成光电学和柔性电子
纳米材料早已进入了我们的生活,比如催化剂中的纳米颗粒和手机中的晶体管。更多的潜力还在实验室中酝酿,人工光合作用看重的半导体纳米导线,作为一种高比表面积的结构,就具有各方面的良好化学和物理性质。
那么,半导体纳米导线还会有哪些重要的突破口呢?杨培东认为,未来它会在光子计算和数据存储上影响深远。这是因为,半导体纳米导线是一种很好的光源,而且是纳米尺度上的相干光源。“目前,我们的手机、计算机处理数据都是用晶体管,也就是用电子。现在晶体管的密度越来越高,本身越来越小,晶体管的尺度是在 10纳米左右。耗能很厉害。”杨培东说道。“电子在半导体中的传输速度永远超不过光子,光子永远就是最快的。”
半导体纳米导线能将 10 纳米尺度的电子器件和光学器件互相衔接,让电子和光子共同参与数据的处理和储存,大大降低能耗。这就是继“集成电子学”之后的“集成光电学”, 甚至是“集成光子学”。
此外,由于半导体纳米导线非常柔软的可行,生物医学方面的科学家们也把它用作了柔性电子器件中的重要一部分,用以搭建细胞层面的界面。
从创业的角度,中国土壤天时地利人和
杨培东在美国有两家企业Nanosys和Alphabet Energy,从两三个人的初创企业发展到了150人左右的规模。
杨培东说道,在美国创业的过程中,以及过去多年与中国保持的联系中,他比较深刻地体会到了中美创业各自的优势和瓶颈,其中,制造业成本是一项巨大差异。在美国,要想发展材料、能源口的新兴技术,需要巨大的资金投入。
“100多年来,美国的科研创新和产业创新精神到处存在。但有一个问题,就是美国现在的制造成本非常昂贵,它基本上没有一个很好的制造环境。所以一旦要进入通常所说的材料口或能源口产业,要花费的资金非常庞大,烧钱的速度非常快。光说要雇佣这么150个人工作,你可以想象他们的工资支出就是很大的一笔。”杨培东说道。
相比较而言,中国具有庞大的市场需求,和庞大的制造业基础。现在,创新和原创性精神也在逐渐涌现。“所以现在从创业这个角度看,中国的土壤是非常非常好的,基本上是天时地利人和。”
苏州吴县出生的杨培东,长期关注家乡的纳米材料产业发展。在十年前,杨培东参与筹建了中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。2016 年,杨培东牵头的天际创新中心落户苏州工业园区。他把这个项目称为一个以产业化为目的的新型研发机构,或者说是一个新型的技术孵化器。项目的重点,在于分析平台的共享,这种共享包括仪器和专业人员两方面。
“可能和做人工智能的初创企业不一样,做材料或能源的,在前期往往需要用到这样那样的大型的仪器。去买或者去用这样的大型仪器,对很多小公司来说很困难。我们现在在苏州建的天际创新基本上就把这一层的瓶颈去除掉了。这个共享的平台可以给有需求的小公司来用,平台也有我们的专业人员在运作,帮助引进的项目做进一步的科研。”杨培东说道。中心致力于尽量缩短一项技术从实验室到市场的距离。
不过,杨培东强调科学研究的本色仍是好奇心驱动。特别是从事原创性基础科研的时候,并不应该过多地考虑“有没有用”这种问题,不去想想它未来会是怎样的技术。像石墨烯的发现获得诺贝尔奖的时候,科学家们只是看到了它有趣的物理性质,这和它今天在各行各业的应用,并没有直接的关系。
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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