【果殼網專訪】楊培東:開創新領域,才會有原創性發現

他是世界上最優秀的材料科學家，在路透社「最優秀100名材料科學家」榜單裡排名第一位；只花了4年，就成為了伯克利大學化學系的華人終身教授；因為在納米材料領域裡的突出貢獻以及精彩的創造力，去年他獲得「麥克阿瑟天才獎「。

在今年5月3日，他當選美國科學院院士。

他是楊培東，他說：「當你在研究一個全新的領域，才會有新的發現。」

楊培東研究的是一類有著獨特性質的「半導體納米線」，納米線大約只有人類頭髮寬度的萬分之一，這些納米線有些可以轉換熱能、光能為電能，有些則可以作為納米雷射器，應用廣泛，潛力十分巨大。楊培東一直是這個領域的領軍人物，「廢熱發電」、「最小納米雷射器」、「人工光合作用」，都是他納米導線研究之路上結出的累累碩果。

儘管已經是終身教授、納米公司的合伙人，楊培東仍然花了很大的精力在中國推進納米材料學的研究和教育工作。他經常提到的一個詞是「原創性」，認為做研究就要做原創性的，別人沒有做過的研究。

果殼網科學人與楊培東教授見面時，他正在為上科大物質科學與技術學院的組織與建設奔走。作為該院的創建院長，楊培東告訴科學人：「我來，就是為了發展國內的科研人才。」楊培東希望有志科研的學生們在學習基礎知識的同時，從本科開始就對學術研究進行創造性的思考。

楊培東說，在科學研究裡，「當你開創新領域，才會有原創性發現」。圖片來源：scpr.org

「做創新的東西，才會有新的發現」

科學人：為什麼選擇做納米材料這個方向？

楊培東：我在中國科技大學的時候，導師是錢逸泰院士。當時我們在做高溫超導體實驗。做高溫超導體也好、做納米材料也好，這些都是材料學科的分支，所以實驗方式和實驗手段是很接近的。我本科畢業去哈佛，就開始慢慢進入到納米材料這個領域。 

在我讀研究生的時候，那時候大家都在做碳納米管和C₆₀。不過，那時C₆₀太多人在做了，所以我在研究生選題的時候決定不去做這個方面，那個時候我們就決定挑選一個根本沒有人涉獵的方向。碳納米管也是一維材料，我們就想做一維材料的其他方向——半導體納米導線。

然後在1994年，我和我哈佛的導師開創了半導體納米導線的全新的領域。因為在做新的東西，才會有全新的發現。這也是第一次把半導體納米導線這個概念在科學界定了下來。

後來博士畢業，在我看來博士後需要學點新的東西，就離開了半導體納米這個領域大概18個月，選擇了納米材料的自組裝。所以，我在研究生階段和博士後階段做了兩個完全不同的東西。

去伯克利大學組建自己的研究組的時候，則決定把研究方向定為半導體納米導線。納米雷射器延續了納米導線有趣的光學性能，2001年，我們做的納米雷射器獲得了裡程碑式的成功。去年湯森路透的「引文桂冠」獎就是嘉獎了我們在納米線光子學方面的研究。

楊培東（右）在接受科學人採訪時，反覆強調「原創性」在科學研究中的重要。攝影：科學人

「我做的是基礎研究」

科學人：半導體納米導線是比較偏應用的研究，你選擇研究方向時，會更多地偏向應用性的研究嗎？

楊培東：其實我研究組裡做的基本上都是基礎研究。比如廢熱發電，外界理解叫廢熱發電，我們組裡面叫「熱電材料性能」。人工光合作用呢，在實驗室裡就是研究「光吸收半導體材料」，這些其實都是基礎性的東西。

「麥克阿瑟天才獎」就是獎勵我們研究組這10年來的所有的關於納米材料的研究。表彰了我們在納米導線領域的工作，它也點到了半導體納米線，點到了人工光合作用和廢熱發電。

科學人：您的很多科學研究，也已經轉化為了實用技術。

楊培東：熱電材料的功能特點就是能夠把熱能轉變成電能。大家一直在尋求一種材料，在高溫區間能夠有一個很好的熱電轉化效應。我們發現矽納米導線可以做這個事情，並且成本足夠低，就決定把它推入市場。

現在我們正在嘗試大面積地應用在發電廠、煉鋼廠，也可以用於收集汽車排氣孔附近的廢熱。把實驗室中基礎的東西在比較短的時間內轉化為技術，這是一個很成功的例子。

科學人：你在「人工光合作用」相關的應用的研究方面也是領軍者，這個計劃目前進行到哪裡了？

楊培東：人工光合作用更複雜。大約在上個世紀60年代就有人開始做人工光合作用了，最多的是「水分解」。而我們組裡最關鍵的一個技術是把半導體納米導線的陣列引入到人工光和作用領域當中。

光合作用，「光」是吸收光，「合」是化學反應。從對太陽能電池的研究上，我們已經對光吸收的知識有了基本的了解，另外一個就是怎樣做化學反應。

要做化學反應的催化，首先要引入一種高比表面積的高性能的半導體。這樣我們的半導體納米導線就是一個非常好的開始。在我們之前還沒有人用半導體納米導線，我們在概念上引入了這個東西之後，就把高比表面積的半導體納米導線和催化劑建立了聯繫。

兩年前，我們第一次真正地把這些東西都集成到一塊，就形成了一個拿在手裡的東西。這時就可以把它放在水裡面來光解水。

楊培東團隊利用半導體納米導線的性質，提出了人工光合作用的可行性方案。圖片來源：nanowires.berkeley.edu

科學人：就是說人工光合作用，已經有成型的樣品出現了？

楊培東：是的，經過十幾年的努力，兩年前就證明了我們關於半導體納米導線的概念是對的。關鍵在於固碳部分很困難，主要是因為催化劑。

水分解的催化劑我們知道的很多，但固碳就不行。比如把CO2還原，可以還原成CO、甲醇、甲烷等等不同的一碳化合物。而且我們最終目標是把太陽能、水、CO2 轉化成燃料，所以我們還想做更大的東西，從一碳做到二、三、四碳。

由於手上沒有很好的合成的催化劑，所以我們就想利用細菌幫我做這個事情——而正好自然界有細菌能夠幫我們做CO2的鍵合。當半導體納米導線吸收光之後，就把電子傳給催化劑——細菌，細菌吸收CO2後利用水來合成甲烷，乙酸，一直到丁醇，一步到位。

現在我的團隊已經提出了一個可行性的途徑，真正做到了一步將太陽能、CO2和水轉化為化學能。這裡面太陽能的轉化率與真正植物的轉化率是一樣的, 甚至更好。關於「人工光合作用」的研究引起了很大的轟動，美國包括國內都在報導這個事情。

「從技術到應用，還需要更多探索」

科學人：人工光合作用如果要投入實踐，目前還面臨哪些困難？

楊培東：雖然從科學角度的來說我們已經達到了，但還沒有達到完全應用的水平。不像之前的廢熱發電，那是相對已經成熟了解決了的東西。現在我們還正在基礎研究階段，證明了人工光合作用是可行的。接下來我們要把成本降下來，做更穩定的系統，讓效率更優化一些，才能談到應用。現在還不到這個地步。

科學人：您覺得一項技術從發明到全面應用大概需要多少時間？

楊培東：這個時間是不可預期的。比如我們做的廢熱發電，就花了10來年來進行基礎研究。然後我們發現了一種材料，無論是從能量轉化效率、穩定性和成本上，產業化已經可以接受了。所以幾年內我們就把實驗室的東西進行了應用。

但我們之前也沒有想到，5年內我們就可以把廢熱發電的基礎研究轉變成應用。人工光合作用從研究到應用，也許是5年，也有可能20年。科學上的問題，我們已經證明是可行的了，還需要進一步優化才能把這項技術的穩定性、成本、效率提高些。

科學人：作為納米材料的專家，您覺得納米材料有哪些更廣泛的運用麼？比如未來科技中會有些應用？太空電梯有可能嗎？

楊培東：關於納米的未來科技其實有很多。納米科技在能源領域的應用是很廣的，在生物方面也有很多應用：比如如何定向輸送藥物，這個做的人也很多，進入了商業化的運作。還有納米技術和人腦的連接，都是納米材料應用的例子。

關於納米材料的研究已經進行很多年了，從80年代末就開始做的碳納米管，到現在已近二三十年了。納米材料的應用，我們已經可以慢慢地看到了，比如高清顯示屏，這是我第一個公司Nanosys Inc在做的事情。你可能沒有意識到納米材料的出現，但它其實在生活中到處都在。

「我希望改良中國高校的科研」

科學人：現在您是中國美國兩頭跑，你是出於什麼考慮，選擇在美國工作之餘，還投身於中國科學教育工作？

楊培東: 我現在是大概每隔一兩個月就會回國一趟。像這次我在香港、復旦有個會，這次就有時間可以在上海科大呆幾天。我接受你們的採訪，也是因為看了你們的網站，我覺得挺有意思的。

我覺得作為一個科學家，當然大部分時間是在做科研，但除此之外還可以做很多事情。比如我在美國，也做一些行政方面的事情。然後我擔任美國化學學會的副主編，也已經做了十幾年。

我和國內的聯繫也一直很多，2006年我應中科院蘇州納米研究所之邀組建一個國際合作實驗室。2013年，幫助上海科技大學建立了物質科學與技術學院。我覺得在國內建設這樣一個很「新」的學校，會受益更多學生，甚至產生高教系統的改革。

科學人：給中國學生創造一個更好的研究環境?

楊培東：是的，改善國內一直在強調的科研環境，進行高教系統的改革。

我在中國的工作大部分是幫助改善國內高校研究系統，往更好的方向走。無論是學校的研究，還是科研院所的研究，我都一直在說，從研究生開始，到做助理教授等等要鼓勵大家做原創的東西。這也是我在上海科技大學一直在鼓勵的事情。

（編輯：wuou，徐赫陽對本次採訪亦有貢獻）