美國科學院院士楊培東：中國更適合孕育材料和能源新技術

　　2017-11-04 08:36

　　美國國家航空航天局（NASA）的火星移民計劃還有 16 年倒計時，在生存環境經費和技術上卻面臨著重重困難。氧氣和能源，就是兩項首要的挑戰。人工光合作用，或許是一種解決方案。

　　10月 28 日，美國科學院院士、美國藝術與科學院院士、納米材料學家楊培東在未來科學大獎年會上向澎湃新聞（www.thepaper.cn）介紹道，他的團隊在研究人工光合作用時主要考慮應對地球氣候變暖問題，而現在看來，火星可能是個更有潛力的應用場景。

　　

　　

楊培東 資料圖

　　楊培東團隊在 3年前取得了人工光合作用領域的「劃時代」成果，利用半導體納米導線和細菌組成的系統，在自然光照下將二氧化碳和水轉化成醋酸酯，效率與自然界的葉片相當。

　　這立刻引起了 NASA 的注意。火星大氣層中的二氧化碳含量高達 96%。人工光合作用能把二氧化碳和水轉化為氧氣和各種化學品，把太陽能轉化為能量密度最大的化學能。

　　為此，NASA 在楊培東所在的加州大學伯克利分校設立了太空技術研究院，專攻人工光合作用。初步構想是在 5-10 年內，幫助解決最早一批登陸火星的宇航員的氧氣和能源問題，以及種植植物的肥料問題。

　　楊培東去年還在蘇州工業園建立了納米材料方面的研發和孵化機構。比起美國高昂的製造業成本，楊培東認為，中國的土壤更適合孕育材料和能源領域的新技術，可謂天時地利人和。

　　納米材料：中國將進入科研新階段

　　提高人工光合作用的效率，納米材料功不可沒：半導體納米導線吸收光，依靠含有金屬納米顆粒的催化劑進行能量轉化。

　　楊培東介紹道，納米科技是從 80年代初興起的前沿科學，在這個過程中，從量子點到碳 60到碳納米管到半導體納米導線到石墨烯，再到現在的二維材料，基本上每過幾年就會有一類新的材料出來，並馬上成為一個大的研究方向。

　　中國在納米材料領域的布局很早，差不多和國際上同步。中國在納米科技上的研究份額目前佔世界第一，發表的文章、專利、科研人員數量世界領先。前述的一系列新型材料，雖然不是在國內被發現的，但都是由中國大批的科研人員推到了一個很高的高度。不過，在過去的幾十年中，中國還未能發揮真正的引領作用。

　　楊培東預期，中國的納米科研即將進入一個新的狀態。大批科研人員正在逐漸產生很多原創性的成果，國家對該領域的投入又非常大。中國的引領作用應該會慢慢顯現。

　　原創性成果的難度是顯而易見的。楊培東專註的人工光合作用，就是一個前所未有的領域。楊培東團隊從 15 年前開始研究，在基礎科學上遇到了很多問題：選擇什麼樣的材料、發展什麼樣的催化劑、如何把它們結合在一起。「所以在基礎科學的這個角度，我們也整整花了至少 12年的時間慢慢琢磨出來。在三年前，我們才宣布第一次把這個概念做了出來。」

　　楊培東團隊研究人工光合作用的基礎科學花了十多年，而轉化成一個真正的產業，還需要更長的時間。這其中，不僅要考慮高效率的光吸收，也需要在太陽下穩定地工作很多年，更要解決成本的問題。「太陽能電池是六七十年前發明的，到現在也就是這麼一個地步。在全球範圍的能源結構中，太陽能電池的份額還是很小很小的。所以應該說是一個比較長期的過程，但我相信這一天是會到來的。」

　　半導體納米導線：集成光電學和柔性電子

　　納米材料早已進入了我們的生活，比如催化劑中的納米顆粒和手機中的晶體管。更多的潛力還在實驗室中醞釀，人工光合作用看重的半導體納米導線，作為一種高比表面積的結構，就具有各方面的良好化學和物理性質。

　　那麼，半導體納米導線還會有哪些重要的突破口呢？楊培東認為，未來它會在光子計算和數據存儲上影響深遠。這是因為，半導體納米導線是一種很好的光源，而且是納米尺度上的相干光源。「目前，我們的手機、計算機處理數據都是用晶體管，也就是用電子。現在晶體管的密度越來越高，本身越來越小，晶體管的尺度是在 10納米左右。耗能很厲害。」楊培東說道。「電子在半導體中的傳輸速度永遠超不過光子，光子永遠就是最快的。」

　　半導體納米導線能將 10 納米尺度的電子器件和光學器件互相銜接，讓電子和光子共同參與數據的處理和儲存，大大降低能耗。這就是繼「集成電子學」之後的「集成光電學」, 甚至是「集成光子學」。

　　此外，由於半導體納米導線非常柔軟的可行，生物醫學方面的科學家們也把它用作了柔性電子器件中的重要一部分，用以搭建細胞層面的界面。

　　從創業的角度，中國土壤天時地利人和

　　楊培東在美國有兩家企業Nanosys和Alphabet Energy，從兩三個人的初創企業發展到了150人左右的規模。

　　楊培東說道，在美國創業的過程中，以及過去多年與中國保持的聯繫中，他比較深刻地體會到了中美創業各自的優勢和瓶頸，其中，製造業成本是一項巨大差異。在美國，要想發展材料、能源口的新興技術，需要巨大的資金投入。

　　「100多年來，美國的科研創新和產業創新精神到處存在。但有一個問題，就是美國現在的製造成本非常昂貴，它基本上沒有一個很好的製造環境。所以一旦要進入通常所說的材料口或能源口產業，要花費的資金非常龐大，燒錢的速度非常快。光說要雇傭這麼150個人工作，你可以想象他們的工資支出就是很大的一筆。」楊培東說道。

　　相比較而言，中國具有龐大的市場需求，和龐大的製造業基礎。現在，創新和原創性精神也在逐漸湧現。「所以現在從創業這個角度看，中國的土壤是非常非常好的，基本上是天時地利人和。」

　　蘇州吳縣出生的楊培東，長期關注家鄉的納米材料產業發展。在十年前，楊培東參與籌建了中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所。2016 年，楊培東牽頭的天際創新中心落戶蘇州工業園區。他把這個項目稱為一個以產業化為目的的新型研發機構，或者說是一個新型的技術孵化器。項目的重點，在於分析平台的共享，這種共享包括儀器和專業人員兩方面。

　　「可能和做人工智慧的初創企業不一樣，做材料或能源的，在前期往往需要用到這樣那樣的大型的儀器。去買或者去用這樣的大型儀器，對很多小公司來說很困難。我們現在在蘇州建的天際創新基本上就把這一層的瓶頸去除掉了。這個共享的平台可以給有需求的小公司來用，平台也有我們的專業人員在運作，幫助引進的項目做進一步的科研。」楊培東說道。中心致力於盡量縮短一項技術從實驗室到市場的距離。

　　不過，楊培東強調科學研究的本色仍是好奇心驅動。特別是從事原創性基礎科研的時候，並不應該過多地考慮「有沒有用」這種問題，不去想想它未來會是怎樣的技術。像石墨烯的發現獲得諾貝爾獎的時候，科學家們只是看到了它有趣的物理性質，這和它今天在各行各業的應用，並沒有直接的關係