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華人科學家楊培東發明人工光合作用 或讓移民火星變得可行

華人科學家楊培東發明人工光合作用 或讓移民火星變得可行

圖:UC Berkley大學化學系教授 楊培東

70%的生物學家都認為地球將面臨第六次物種大滅絕,災難來臨前通過星球移民拯救人類已經被提上了日程,最雄心勃勃的就是伊隆·馬斯克(Elon Musk),他要把100萬人類送到火星上去。

但目前的問題是火星時刻可以置人於死地,因為它的大氣中95%都是二氧化碳,如何在短期將火星上的二氧化碳轉變成氧氣呢(要知道地球花了1億年才達到今天的大氣層氧氣指數10%)?在第六次物種大滅絕之前,我們怎樣將火星的大氣改造成適合人類居住的環境?

回到地球,材料化學家、加州大學伯克利分校教授楊培東團隊有關人工光合作用的最新成果發布后引起了業界的震動,因為在近似自然陽光照射200小時的環境下,楊培東團隊實現的太陽能轉化率達到了0.38%,這與自然界(光合作用)葉子的轉化率相同。

之後,很多人就把人工光合作用和改造火星大氣自然地連接在了一起。很快,楊培東團隊吸引到了NASA(美國國家航空航天局)的注意,因為這項技術為人類火星移民帶來了希望。但人工光合作用的價值遠不止於此,它將有效地減緩全球變暖以及對非可再生資源的依賴。

楊培東接受長城會《千秒》(微信公眾號:千秒)專訪,深度解讀了人工光合作用複雜的演變過程,提示了人工光合作用可以超越自然界光合作用背後的隱秘推動力。

專訪實錄

人工光合作用的研究歷史

《千秒》:人工光合作用的研究歷經數十年,遇到了無數難題,比如催化劑問題、半導體問題,納米技術的出現又給它帶來新的希望。您是否可以為我們介紹一下人工光合作用的研究歷史?

楊培東:人工光合作用中有兩個最重要的事情,一個是光吸收,一個是光催化。從技術的節點看,就是這兩個材料上面重大的節點。一個是我們所引進的高比表面積的高質量的半導體,這個是非常重要的,因為要把光吸收跟光催化聯繫在一塊,最重要的事情是高比表面積,因為要做反應,高比表面積是非常重要的。那麼怎麼設計出來一個高比表面積的半導體,來完成它的光吸收?這是第一個節點。這個節點大概是在13、14年前我們設計這個系統的時候,我們就把傳統的塊材料用高比表面積的納米線陣列來取代了,那是第一個節點。之前大家都在用很低表面積的塊材料,就是一個很平面的東西,這樣的話催化效率就不會太高,所以這是一個節點。

第二個重大的節點,就是我們引進了生物催化劑的概念,之前大家做固體催化劑做得非常辛苦,現在大家也還在做,還有一個非常大的瓶頸在那邊。生物催化劑雖然解決了,從概念方面證明了整個人工光合作用的概念是可行的,效率也蠻高,但是生物催化劑它所面臨的另外一個瓶頸就是穩定性的問題。我們引進這個生物催化劑,應該說在整個人工光合作用科研上是另外一個重大的節點,因為這是真正第一次實現將太陽能、二氧化碳跟水放到一塊,能夠做跟自然界光合作用一樣的事情,而且效率比自然界還高。

《千秒》:您提到過轉換率10%是一個非常好的效果?

楊培東:對,10%是指把太陽能儲存到化學品上面的一個能源轉換效率,能夠達到那個效率,應該說已經是一個很好的事情。

《千秒》:就是保持這個轉換率已經可以了?

楊培東:那個倒不是,因為從理論上來說,通過半導體結構的設計,我們可以預計它理論上的效率可以達到百分之二十幾,可以跟太陽能電板的效率很接近。在過去一兩年,我們很快地從百分之零點幾躍升到8%到10%,這是一個非常快的速度。我自己的預計是在接下來幾年當中,我們會努力尋求在生物催化劑跟固體催化劑方面進一步的發 展,這會把我們整個系統的效率、穩定性進一步提高。然後我們就會有選擇性,比如說可以用來做天然氣、可以做丁醇、可以做汽油、可以做化學品。所以這三大事情都需要進一步提高,但尤其是轉換效率,還是有進步空間的。

《千秒》:您提到目前在美國只有兩所學校在研究人工光合作用,一個是哈佛大學,一個是您這邊?

楊培東:我是說只有這個兩個團隊能夠做生物催化劑方面的研究。

《千秒》:它的門檻在哪裡?

楊培東:主要是涉及半導體跟生物催化劑的複合,還有生物催化劑的基因改造,這個一般來說需要兩個團隊來做, 因為這是兩個完全不同的項目。

《千秒》:現在您跟哈佛那邊是互相競爭的關係嗎?

楊培東:應該說是相互競爭、相互提高的一個過程。NASA那個火星項目,我們是共同做的,這個叫一邊競爭,一邊合作。

《千秒》:您覺得您的優勢是什麼,他比您好在哪裡?

楊培東:事實上我們兩個總的框架都在做半導體跟生物催化劑的複合,但是細節上面我們兩個還是不一樣的。在細節層面上,他們的方案就是把太陽電板引進來,然後再把生物催化劑結合在上面,我們的方案就是把我們的半導體納米陣列作為一個半導體吸收劑放進去,我們不是把太陽能電板引進,而是一步到位。所以是有一些技術上面的不同,因此我們就可以一邊競爭,一邊合作,我們在技術層面上還是有一些不同,但是大的方向的確還是同一個框架。

《千秒》:剛才您講到光合作用、太陽能,還有氫能源, 您認為我們還有什麼方法可以解決能源短缺的問題,還是目前發現只有這麼多比較好的方法?

楊培東:除了人工光合作用外,還有很多,現在氫能源,光伏發電,其他的像潮汐發電也有很多,甚至有人提出來用氨來做燃料,就是NH3。總是有這樣那樣的概念在裡頭,但目的就是一個,就是有各種各樣的可再生能源可以利用,使各種各樣的可再生能源的比例能夠增加,再增加。現在基本上所有的東西加起來10%,以後20%,慢慢地或許到30%。10%是非石油能源、核能、地熱能、太陽能都包括在裡邊。我的印象是近階段來說已經突破了10%,因為最近幾年尤其太陽能升得很快,但是不同的國家有不同的比例,美國這幾年太陽能的比例升得尤其快。但我相信以後這個比例能夠突破20%、30%,這應該是在接下來10年、20年能夠慢慢地做到的事情。

瘋狂想法背後的隱秘力量

《千秒》:您提到這個項目一定要得到政府很大的支持力度,那麼政府對人工光合作用的支持體現在哪裡?

楊培東:朱棣文(Steven Chu)在做美國能源部長時,一直在推廣可再生能源的運用,包括太陽能,也包括人工光合作用。從大的方向,他是在推廣可再生能源。但是從能源部整個構架來說,我覺得這一點在能源部已經是奠定了一個穩定的政策,不會再重複六七十年代同樣的事情,比如因為油價的變化,就把這個方面排除掉。現在我覺得能源部資金上面的支持比較穩定,因為他們考量的是環境,而不是原油的價格問題。

《千秒》:什麼時候美國開始從環境的角度去看再生能源的問題,而不是從能源的角度?

楊培東:這個還是說回到二氧化碳的問題,現在全球範圍內都意識到這是一個非常大的問題。全球變暖的一個根本性原因是二氧化碳的濃度越來越高,現在只有跟美國兩個大國都意識到這個問題的嚴重性才行,這兩個國家是二氧化碳最大的排放國。如果它們都意識到這是個根本問題,必須要有方式方法來解決,那麼在這樣的一個大環境當中,大家就不會用石油價格來衡量你最終的科研的產出了,因為最終的科研產出是要解決環境的問題,而不是解決石油價格便 宜與否的問題。

《千秒》:加州大學伯克利分校在人工光合作用的研究中有哪些得天獨厚的優勢?

楊培東:我是研究材料化學和能源方向的,我們加州大學伯克利分校山上面是勞倫斯伯克利國家實驗室,是能源部的一個非常大的實驗室,能源部在長期支持這個新材料、新能源的科研,這對我們來說是一個非常吸引人的地方。在這麼多年當中,這裡的材料跟能源的研究和文化是非常濃厚的,我們有一大批人在做這樣的事情。在全美範圍來看,做材料,做能源,這裡應該算是一個大本營,有資金支持,有人才,有學術環境,這三點都是非常吸引人的地方。

《千秒》:您能介紹一下跟NASA合作的火星項目的情況嗎?現在很多人對這個非常感興趣!

楊培東:這個技術的確是有它的前瞻性,所以我們宣布研究成果以後,有很多人來問,很多人自然地就問到這個問題。這並不是從我們科學家這個角度來思考這個問題,實際上很多記者會來問你,因為大家都知道火星上面二氧化碳含量高,記者們很多時候問的問題就是你這個能不能用到火星上面去,後來這個問題慢慢在普通媒體上被說得越來越多,可能NASA也慢慢地注意到了。當然NASA他們那邊早就在關注這樣一件事情,所以現在我慢慢在籌辦這個項目。

《千秒》:最近有沒有取得一些重大的進展?

楊培東:還在籌備階段,因為真正意義上我們宣布成果是 2015 年四五月份,這個籌備階段是很長的。而且我們跟NASA的合作,很可能是在太空來做這個事情,很多實驗還是應該在地球上先做,然後才會慢慢地推進到外太空。

《千秒》:目前有沒有一些實質性的計劃,比如說未來一兩年做什麼,四五年做什麼?

楊培東:還處於資金籌集階段。

《千秒》:我知道您也談到了的一些人才評價系統,有些大學是自主權是很小的,那現在如果要全都放開,在國內現實情況下不可能。對於現在的情況,我們應該怎麼樣著手去改善這個系統,讓更多的學生更有創造力 ?

楊培東:這是一個非常大的工程,要真正改變國內的科研弊病,我們需要兩個渠道一塊做,既要自下而上,也要自上而下。尤其是國內的這個系統。完全自上而下的話,從行政上面壓下來,命令你全部改變,一步到位也不現實,所以必須要兩個渠道一塊走,也就是學校層面可以自下而上的先來試點一下,小範圍地做一點事情,來進一步激發年輕人的創新思維,然後在評價體系當中儘可能放鬆。

所以需要各個地方先試點,像上海我相信可以在上海科技大學先試點一下這種激勵年輕人的機制,包括我們現在做的終身教職制度,上科大是國內唯一的一個實行終身教職制度的學校。當然像國內很多大學,北大、清華、復旦,都是在某個系也在展開試點,但是上科大是唯一的全校全部是終身教職制度。實行終身教職制度,我覺得這很關鍵,它能進一步激發年輕人的創新意識。但是我覺得這個東西一步到位不可能,所以第二個方面,我們慢慢地先摸索,在小的地方先試點,成功后再擴大,再然後從國家層面上面出台一個綱領性的文件來進一步地調整整個高校體系。

所以我覺得這個過程不是一個小的工程,但是只要一步一步地把它規劃出來,我覺得5年內,最多10年內,就能夠把這個全部改過來。

《千秒》:我們跟斯坦福大學的張首晟教授聊過,因為他是物理學家,他的思維方式就是物理學家的思維方式,比 如說第一性原理。您覺得化學家有沒有一些特定的思維方式讓您們在一些科研上取得突破?

楊培東:從化學角度,我們最關注的就是熱力學,就是說某個反應可不可行,這個東西是我們第一要考慮的。就像人工光合作用從原理上可不可行,我們不能做根本不可行的化學反應。熱力學告訴你根本就不可能,那我們就不會去做的。這與張首晟教授那邊是一樣的,第一性原理很多時候從物理的角度可以設計,因為它是做理論的,尤其對於做理論的人,這個是一樣的,我們化學也要做理論的, 它最重要的原理是熱力學,跟物理學的第一性原理都是一樣的。

像我現在正在準備的一篇文章,就是我們跟一個MIT(麻省理工大學)做理論的團隊合作,我們做實驗,他們做基於第一性原理的預測,這是很關鍵的,所以這個研究是涉及化學、物理跟材料、理論跟實驗都是結合在一塊的。

學術界和工業界的交互

《千秒》:剛才您講到在加州大學伯克利分校大學不允許教授在外面兼職,是不是?

楊培東:所謂的不能兼職就是說你的100%的時間要可統計,這裡面包括教學、研究和服務,與你在學校外做的事情不能有所謂的利益衝突。

《千秒》:怎麼衡量呢?

楊培東:就是你在這邊的成果不能在另外一個地方複製,如果做了,就有利益衝突。比如說除非你辭職,否則就不可以去公司里做管理層職位。你可以做創始人、顧問,但你不可以做CEO,不可以做CTO,因為那個是真正花時間的、要實實在在地執行,要把你100%的時間給出去,對學校而言那是不允許的。但是你可以辭職,然後去做。這裡也會有一些規範,比如不可以讓你現在學校的學生來做你公司的事情,那是絕對不允許的,這裡存在利益衝突的問題。

《千秒》:現在斯坦福大學,還有加州大學伯克利分校,他們的創新機制,您覺得有哪些不一樣的地方?

楊培東:我想加州大學伯克利分校跟斯坦福大學的創新機制應該很類似,因為我們都在灣區。從我們創業公司來看,我的公司都在南灣, 一個在 Hayward, 一個在 Milpitas,當然有它的原因, 因為很多VC(Venture Capital,風險投資都在那邊,離矽谷更近了,現在也有越來越多的創業公司在東灣這邊。

但兩個學校唯一的區別就是,我覺得斯坦福做得更開闊一點,因為它畢竟跟矽谷更近,VC就更多,不像我們這邊畢竟在東灣,地域還是有點不同。

《千秒 》: 您講到一些大學有一些 IP(Intellectual Property,知識產權)都是爛在那裡,可能沒人去買。就您這麼多年的研究經驗來看,工業界對哪些類型的IP比較感 興趣,願意花時間去支持?

楊培東:這個我覺得不同公司有不同的文化,這麼多年,我跟 BSF(巴斯夫)公司合作,它是世界上最大的化學品公司,它還是願意長期地支持某些科研,而並不是說一年內你就要給我拿出一個技術成果。

《千秒》:它想要的結果是什麼?

楊培東:當然它們也是要IP,但是他們比較耐心一點, 所以這是跟公司有關係的。有的公司不是那麼有耐心,說一兩年內你就要給我一個技術成果。但是像BSF這個公司,我注意到它的確還是足夠耐心的,它能理解從基礎研究到IP到真正的成果是需要時間的,也願意長期地來支持你。

我覺得工業界跟大學合作的話,還是需要一個相互磨合、 相互理解的過程。傳統來說這是兩種非常不同的文化,因為很長時間裡,大學里的老師就是純粹做技術研究,我不在意這個東西將來到底能不能成為一個什麼產品,那不是我大學老師要做的事情。工業界很長時間可能也對這樣的文化覺得不是太理解,認為你做的東西沒有用,你做它幹嘛。

但是我注意到過去十來年當中,工業界跟大學應該說走得還是蠻近的,至少從我個人角度,比如我有這個BSF公司它能過來做相對長期的過程,這之間也有三星、豐田,他 們都能夠支持我的研究,不管時間長短。因為時間長短只不過是有的公司覺得OK,我給你支持,幾年內你就要給我一個技術和產品,但有的公司它不以這個為目的,可能就是要積累一個IP,它有不同的目的。但是我覺得的確過去幾年當中工業界與大學越來越密切。所以在很多領域,像《科學》《自然》經常有這方面的報道,能夠看到這麼一個趨勢,工業界和大學在做科研方面,真正能夠在一塊做事情,而不是以前那種狀態,基礎研究過去是必須要聯邦政府來做的事情, 現在可以大家一塊做事,這個是個進步。

《千秒》:剛才您講了一些優秀的教授,大學希望他們留下,但外面的公司也會來大學爭搶人才,那麼大學跟公司之間怎麼競爭?

楊培東:大學跟公司怎麼來競爭,這個最終關鍵還是個人的意向。很多時候,我們有非常好的教授被公司來挖,學校所能夠做的就是儘可能地提供更好的研究環境、資金,創造更好的條件,爭取把他們留下來。因為公司要來挖教授的話,從薪酬這個角度,大學跟公司的薪酬規模是不一樣的。 從個人收入的角度,肯定是一個很大提升的。

但是我們通常會從比如環境、從學生方面來挽留,因為你到公司就沒有這麼多有資質的學生,這是需要考量的。通常我們把這個東西放到桌面上評估,最終決定當然還是教授,他有自己的決定,他接下來想真正去企業做幾年,那也可以,我們這邊通常就會保留兩三年的職位,也許他兩三年以後, 在公司做得非常高興,那就留下來了。也許他兩三年以後決定還是回來,他覺得跟學生在一塊工作更好。

《千秒》:現在您實驗室的學生,一般都是跟化學相關的專業嗎?

楊培東:因為我做科研的原因,我的研究方向是非常多元化的,化學、物理、材料到生物,所以我的學生也有做材料的,有做化學的,化學裡面有做無機的,有做物理化學的,(研究領域)非常廣。

作者:李小敏 christina.lee@gwc.net

本文版權屬於《千秒》(微信公眾號:千秒),轉載請聯繫qianmiao@gwc.net授權

關於楊培東

17歲即考入科學技術大學應用化學系,之後赴美 國哈佛大學求學,獲得化學博士學位,1999年開始先後任 美國加州大學伯克利分校化學系助理教授、副教授、教授, 僅用 6 年時間就成為了加州大學伯克利分校化學系歷史上第 二位華裔終身教授,前一位是諾貝爾化學獎得主李遠哲博士。

在美國,楊培東教授在納米導線方面的開創性研究, 取得了令世界矚目的成就,使一系列高技術設備顯示出 了廣泛的應用前景,包括從微型發光二極體、激光器, 到晶體管、太陽能板等廣泛領域。

根據美國科學信息研究所的統計,從1997年至2007年的論文引用次數看,楊培東已是當之無愧的國際「納 米牛人」,其論文平均被引次數超過150 次,是僅居其次的科學家的兩倍,在全球材料科學家中列第一。

2011年楊培東當選為湯森路透集團依據過去所發表 研究論文的影響因子而確定的「全球頂尖100名化學家」,並且居於榜單前列第10位,同時入選同一標準的「頂尖100名材料科學家」榜單的首位。

2015 年楊培東獲美國麥克阿瑟基金會2015年度天 才獎,2016年5月當選美國科學院院士。

關於千秒(微信公眾號:千秒)

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