杨培东：学术研究需要创造性的思考

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1、杨培东：学术研究需要创造性的思考　　精细如头发丝万分之一的金属线、小如一只果蝇的神经环路，是普通人几乎完全忽略掉的“微小”，有人却能从中找到大乐趣，并且一路挺进成为美国院士。　　他是世界上最优秀的材料科学家，在路透社“最优秀100名材料科学家”榜单里排名第一位；只花了四年时间，就成为了伯克利大学化学系的终身教授；因为在纳米材料领域里的突出贡献以及精彩的创造力，2015年他获得“麦克阿瑟天才奖”。2016年5月3日，他当选美国科学院院士。现在他还同时兼任上海科技大学物质科学与技术学院院长。　　他是杨培东，

2、他说：“当你在研究一个全新的领域，才会有新的发现。”　　杨培东在中国科技大学求学的时候，导师是钱逸泰院士，专业方向是高温超导体：“做高温超导体也好、做纳米材料也好，这些都是材料学科的分支，所以实验方式和实验手段是很接近的。我本科毕业去哈佛，就开始慢慢进入到纳米材料这个领域。”　　读研究生的时候，杨培东决定挑选一个根本没有人涉猎的方向――半导体纳米导线。1994年，在哈佛求学的杨培东和导师开创了半导体纳米导线的全新的领域。这也是半导体纳米导线这个概念第一次在科学界被定义下来。博士毕业的杨培东希望在博士后学

3、点新的东西，于是离开了半导体纳米这个领域大概18个月，选择了纳米材料的自组装。他在研究生阶段和博士后阶段做了两个完全不同的东西。　　去伯克利大学组建自己的研究组的时候，杨培东决定把研究方向回到半导体纳米导线。纳米激光器延续了纳米导线有趣的光学性能，2001年杨培东的研究团队做的纳米激光器获得了里程碑式的成功，2015年获得了汤森路透的“引文桂冠”奖。　　杨培东研究的是一类有着独特性质的“半导体纳米线”，纳米线大约只有人类头发宽度的万分之一，这些纳米线有些可以转换热能、光能为电能，有些则可以作为纳米激光器

4、，应用广泛，潜力十分巨大。杨培东一直是这个领域的领军人物，“废热发电”“最小纳米激光器”“人工光合作用”，都是他纳米导线研究之路上结出的累累硕果。　　其中“人工光合作用”是纳米技术的一个划时代的突破。该项研究成果在线发表在2015年4月7日的《纳米快报》（NanoLetters.）上，论文题为《Nanowire?CBacteriaHybridsforUnassistedSolarCarbonDioxideFixationtoValue-AddedChemicals》。斯坦福大学材料学副教授崔屹认为“这是

5、一项先锋性的工作，开辟了新的研究方向，抓住了人类面对的最至关重要的难题之一（Thispioneeringworkopensupanimportantnewresearchdirection，addressingoneofthemostcriticalproblemshumanbeingsface.）”。　　人们熟知，在大自然界，植物每天都在发生着光合作用，将阳光、水和二氧化碳变为碳水化合物和氧气，通过这一神奇的过程，植物将外界的能量转化并储存起来。杨培东和其团队研发的“人工光合作用”就是要通过人工的手段

6、，实现这一过程。　　杨培东团队构建了一套由纳米线和细菌组成的独特系统。该系统可捕捉到到尚未进入空气中的二氧化碳。这一过程模仿自然界的光合作用。在自然界中，植物利用太阳能将二氧化碳和水转化成碳水化合物。不过，人工光合作用作用的想法则将二氧化碳和水转换为醋酸酯（acetate），后者是今天很多生物合成反应的基础。　　更令人惊奇的是，科学家们正使用太阳能将二氧化碳转换为值钱的化工产品，例如生物可降解塑料、药品甚至是液体燃料。　　该技术的关键之一S.ovate细菌，这是一种很好的二氧化碳催化剂，能生成醋酸。而醋

7、酸能用于生产各种化工品，包括可与汽油相媲美的燃料――丁醇。在近似自然阳光照射200小时的环境下，杨培东团队实现的太阳能转化率为0.38%，这与自然界（光合作用）叶子的转化率相同。引起业界轰动，随后哈佛大学的相关研究团队也迅速跟进。　　“我们相信，这是人工光合作用的革命性飞跃！”杨培东说。“我们的系统有潜力从根本上改变石油和化学工业，因为我们的体系中，将以完全可再生的方式生产化学品和能源，而非以前那样去地底下开采。”　　美国等很多国家都试图捕集利用煤电厂排放的二氧化碳。在可预见的常来，化石能源仍将会是人类

8、所广泛使用的能源之一。因此找到减少二氧化碳排放、降低温室效应影响至关重要。科学家们已提出各种办法捕集二氧化碳。例如：将二氧化碳转化成无害的有机化合物，甚至是利用小苏打来吸收二氧化碳，以防排放到大气中。人工光合作用的精妙之处在于另辟蹊径：如何捕捉、储存二氧化碳的难题，被消解为直接将二氧化碳（变废为宝）派上好用场。　　“火星上大气环境95%是二氧化碳，阳光也充足，唯一的问题是水。”杨培东说，“目前研究发现火星在极地处有水，其他地方有没有水，有多