楊培東:這種材料能做手機透明電極 還能探人腦

　　2017-09-05 07:30:36　來源: 科學家

　　[編者按]網易科技2017年推出大型系列報道《科學家說》，專訪全球頂尖的科學家，洞見趨勢，分享智慧。今天推出《科學家說》第14期，專訪加州大學伯克利分校教授、美國科學院院士、材料學家楊培東。

　　

　　[他是誰]

　　楊培東，加州大學伯克利分校教授、美國科學院院士、材料學家，他和他的導師所做的原創性工作，開創了納米科技的新領域——半導體納米導線，這是繼量子點、碳60、碳納米管之後的第四類納米材料，開創了納米科技的嶄新歷史。

　　網易科技專訪楊培東（來源：網易科技頻道）

　　[精彩觀點]：

　　半導體納米導線在能源、材料、生物醫藥方面，都有應用。我們實驗室是主要集中在能源方面，這是一個非常大的領域，大概至少有100—200個研究團隊在這個領域的不同方向進行研究。此外，現在還有很多研究組在利用半導體納米導線來做生物的探測。這些都是突破性的技術應用。

　　正文：

　　文／網易科技 溫泉

　　一種只有頭髮絲1/1000粗的納米材料，正在開創納米科技的嶄新歷史。

　　這是半導體納米材料，繼量子點、碳60、碳納米管之後的第四類納米材料。

　　1993年開始，加州大學伯克利分校教授、美國科學院院士、材料學家楊培東和他的導師所做的原創性工作開創了這個新領域。

　　最近，楊培東接受網易科技專訪，他告訴網易科技，20年過去，人類已經對半導體納米材料的合成、控制、物理性質、化學性質有了相當的認知積累，並且已經看到它能夠在能源轉換、生物醫藥方面發揮重大作用。

　　做「不一樣的東西」

　　出人意料的是，1993年前後，這項研究開始時，半導體納米材料並不熱門。楊培東回憶，那時熱門的是碳60和碳納米管。

　　楊培東和他的導師選擇了做一些「不一樣的東西」。他向網易科技表示：「跟著別人做，會相對簡單。但是，那樣影響力就不大，因為你不是開創一個領域的人。原創是科研的基石，只有你有原創精神，才能產生一個新的東西，才會最終對社會有一個非常大的影響。」

　　他說：「當開始一個研究領域的時候，最重要的應該是前期的積累。前期積累到你第一個要想到做這個事情，這就是好奇心，是原創性，或者是一種不要去人云亦云做科研的一種精神。」

　　突破性應用落地

　　目前，半導體納米材料的一些突破性應用已經在逐漸落地。

　　楊培東的實驗室在利用半導體納米導線在廢熱發電上已經取得非常大的進步。「主要我們發現把半導體做成這個納米導線以後它是一個非常好的熱電材料。熱電材料通常是用來做熱跟電的一個轉換的一個材料，它的轉換效率就會很高。「楊培東解釋，他透露，半導體納米導線用來做廢熱發電已經在他的第二個公司產業化了。

　　另外一個例子是嘗試用半導體納米材料實現「人工光合作用」。楊培東解釋，半導體納米導線是高比表面積的半導體，對吸收太陽光非常厲害。「所以我們就用半導體納米導線來做人工光合作用，因為人工光合作用需要光、需要光吸收、需要光催化。現在半導體納米導線也就是在我們的人工光合系統裡頭是一個不可或缺的一個部分。」

　　他同時透露，用半導體納米導線也可以來做人工光合作用，做手機里的透明電極，甚至可以探測細胞和人腦，將來在生物技術上也會有突破性的應用。

　　以下為網易科技專訪楊培東部分採訪實錄：

　　網易科技：您為什麼願意加入「未來科學大獎」的評選，成為他們科學家委員會的成員？

　　楊培東：我想在中國設立這麼「未來科學大獎」是一個很好的事情，因為這應該是中國民間發起的第一個高標準、有深遠影響的科學大獎，這在國外已經有很多了，當然大家大家最熟悉的是諾貝爾獎。十年前Kavli基金會又成立了Kavli大獎，主要是獎勵像納米技術、腦科學、天文物理方面的。在其他國家也很多這樣那樣的高標準的這種科學大獎，日本也有、韓國也有，當然在中國香港、中國台灣也已經有了。

　　在中國大陸出現一個民間發起的科學大獎，這對於鼓勵促進原創性科研有突破性的科研這方面，應該是一個很大的促進作用。在過去二三十年中，中國對基礎科研的投入越來越大，這個的確看到，比如說在物理、化學、生物，計算機、數學等領域有很多這樣那樣的突破性成果，所以現在是很好的時間點，這個時間點正好我們可以來鼓勵、表揚在過去二三十年當中那些有突破性、有原創性的科研。

　　當然，另外一個層次，作為一個未來大獎，更要鼓勵我們的年輕一代的科研工作者來做更多的原創性的，有突破性的科研。

　　網易科技：我知道您本人的研究領域是半導體納米材料。您介紹過它用於廢熱發電和人工光合作用，覺得非常有意思。您的研究領域在整個納米材料的學科體系當中，處於一個什麼樣的地位？

　　楊培東：我在科研的過程當中特別注重原創性的概念。在整個納米科學的歷史上來看，半導體納米導線應該說是非常重要的一部分。從歷史上看，可以說是最早的納米科學，是從我們通常所說的半導體量子點。量子點通常從物理的角度來看，我們通常說它是三維的，這個中文我也不太清楚，三維的那個quantum confinement effect（量子限制效應）。

　　一個量子點就是一個顆粒，從三維它都是有納米的尺寸，從歷史上來說，它應該是第一個，大概是在八十年代中期出來的。後來五年以後，出來了一個碳60，碳60是獲得諾貝爾獎的。然後碳60之後有了碳納米管，這些都是納米科技歷史上非常非常重要的。碳納米管之後就是半導體納米導線了，半導體納米導線之後就是石墨烯，這就是整個納米科學發展。如果我們從八十年代初期開始，是納米科技的起點，到現在幾十年當中，有那麼幾類非常重要的材料，我所從事的半導體納米導線是其中非常重要的一個部分。

　　就是因為這種原創的精神，產生了我們納米科技整個歷史當中的第四類，應該是第四類最重要的一類材料。二十多年過去了，現在半導體納米導線這個領域發展成為非常非常廣的一個領域。是原創科研的一個基石，只有你有原創精神才能產生一個新的東西，一種新的材料，然後這個新的材料才會最終對社會有一個非常大的影響。

　　網易科技：這個半導體納米導線未來的應用方向是在能源領域嗎？它未來主要用在哪些領域？之前見您介紹的廢熱發電和人工光合作用，都是能源領域的。

　　楊培東：半導體納米導線在各個領域現在都有重大的應用了。當然在有重大應用之前，先有的是一個基礎研究。大概從1993年開始，我在讀研究生的時候把這個概念提了出來，接下來十年當中，我慢慢在琢磨這些半導體納米導線有什麼樣的基礎的光學性質、電學性質或者化學性質、物理性質，前五年甚至前十年都是在做基礎的一些摸索，怎麼來做這些半導體納米導線，怎麼來控制這些半導體納米導線的尺寸。因為這些半導體納米導線事實上你肉眼是看不到的，比頭髮絲還小一千倍。

　　半導體納米導線是在能源方面、材料方面、健康或者生物醫藥方面都有應用。只不過我們實驗室主要集中在能源方面，因為這是一個非常大的領域，至少有一兩百個research group在各個不同的方向在繼續拓展。

　　網易科技：您所看到的這個領域的研究，是不是在大大的加快？它是不是會出現許多突破性的成果？

　　楊培東：當開始一個研究領域的時候，最重要的應該是前期的積累。前期積累到你第一個要想到做這個事情，這就是好奇心，是原創性，或者是一種不要去人云亦云做科研的一種精神。

　　我們實驗室在利用半導體納米導線在廢熱發電上有非常大的進步，主要我們發現把半導體做成這個納米導線以後它是一個非常好的熱電材料。熱電材料通常是用來做熱跟電的轉換材料，它的轉換效率就會很高。所以像這個半導體納米導線用來做廢熱發電已經是在第二個公司在產業化了。

　　第二個例子是，半導體納米導線它是高比表面積的半導體，它對吸收太陽光非常厲害，所以它對光催化又是另外一個突破。所以我們就用半導體納米導線來做人工光合作用，因為人工光合作用需要光、需要光吸收、需要光催化。現在半導體納米導線在我們的人工光合系統裡頭是一個不可或缺的部分。

　　現在還有很多研究組在利用半導體納米導線來做生物的探測跟人腦的界面，跟細胞的界面，比如檢測細胞里有什麼化學品，或者投送什麼藥品，所以這個是在生物技術上面的應用。所有這些都是突破性的技術應用。

　　網易科技：您覺得未來網際網路、大數據和人工智慧的熱潮，會不會對它的研究進展或者應用進展有很大的推動作用？

　　楊培東：現在是人工智慧、大數據，的確都是非常熱門的話題。事實上我們現在做很多材料科研也好，我們現在最缺乏的，還是一個有預測性理論指導。現在這樣的有預測性的理論指導還很欠缺。很多做理論的都在努力把這個預測的精準度提高。我希望有一天能夠看到，大數據、人工智慧能夠幫我們來預測，但是現在現階段還沒有達到這個地步，我想作為大數據、人工智慧，能夠達到有預測性的指導實驗，還需要很長一段時間的推動。

　　楊培東介紹

　　國際頂尖的納米材料學家，美國藝術與科學院院士、美國科學院院士，美國加州大學伯克利分校（UC Berkeley）化學教授。

　　1999年在完成了18個月的博士后研究后，楊培東與大約20所美國頂尖大學面談，最終得到近10所大學的工作邀請，他選擇了加州大學伯克利分校；

　　年僅28歲時就成為加州大學伯克利分校化學系的助理教授，獨立負責一個實驗室的科研工作。

　　工作經歷：

　　2014年4月28日，上海科技大學，物質科學與技術學院，院長。

       2012年-- 至今 ， 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所 ， 研究員。國際實驗室名譽主任。

　　2004年－ 至今， 加利福尼亞大學伯克利分校，教授

　　1999年－2004年，加利福尼亞大學伯克利分校，助理教授。

　　1997年－1998年，美國加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校，博士后。