专访杨培东：开创新领域，才会有原创性发现 |科学人

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4年，就成为了伯克利大学化学系的华人终身教授；因为在纳米材料领域里的突出贡献以及精彩的创造力，去年他获得“麦克阿瑟天才奖“

在上周的5月3日，他当选美国科学院院士。

他是杨培东，他说：“当你在研究一个全新的领域，才会有新的发现。”

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，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。

尽管已经是终身教授、纳米公司的合伙人，杨培东仍然花了很大的精力在中国推进纳米材料学的研究和教育工作。他经常提到的一个词是“原创性”，认为做研究就要做原创性的，别人没有做过的研究。

果壳网科学人与杨培东教授见面时，他正在为上科大物质科学与技术学院的组织与建设奔走。作为该院的创建院长，杨培东告诉科学人：“我来，就是为了发展国内的科研人才。”杨培东希望有志科研的学生们在学习基础知识的同时，从本科开始就对学术研究进行创造性的思考。

杨培东说，在科学研究里，“当你开创新领域，才会有原创性发现”。图片来源：scpr.org

“做创新的东西，才会有新的发现”

科学人：为什么选择做纳米材料这个方向？

杨培东：我在中国科技大学的时候，导师是钱逸泰院士。当时我们在做高温超导体实验。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。 

在我读研究生的时候，那时候大家都在做碳纳米管和C60。不过，那时C60太多人在做了，所以我在研究生选题的时候决定不去做这个方面，那个时候我们就决定挑选一个根本没有人涉猎的方向。碳纳米管也是一维材料，我们就想做一维材料的其他方向——半导体纳米导线。

然后在1994年，我和我哈佛的导师开创了半导体纳米导线的全新的领域。因为在做新的东西，才会有全新的发现。这也是第一次把半导体纳米导线这个概念在科学界定了下来。

后来博士毕业，在我看来博士后需要要学点新的东西，就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。所以，我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，则决定把研究方向定为半导体纳米导线。纳米激光器延续了纳米导线有趣的光学性能，2001年，我们做的纳米激光器获得了里程碑式的成功。去年汤森路透的“引文桂冠”奖就是嘉奖了我们在纳米线光子学方面的研究。

杨培东（右）在接受科学人提问时，反复强调“原创性”在科学研究中的重要。摄影：科学人

科学人：半导体纳米导线是比较偏应用的研究，你选择研究方向时，会更多地偏向应用性的研究吗？

杨培东：其实我研究组里做的基本上都是基础研究。比如废热发电，外界理解叫废热发电，我们组里面叫“热电材料性能”。人工光合作用呢，在实验室里就是研究“光吸收半导体材料”，这些其实都是基础性的东西。

“麦克阿瑟天才奖”就是奖励我们研究组这10年来的所有的关于纳米材料的研究。表彰了我们在纳米导线领域的工作，它也点到了半导体纳米线，点到了人工光合作用和废热发电。

科学人：您的很多科学研究，也已经转化为了实用技术。

杨培东：热电材料的功能特点就是能够把热能转变成电能。大家一直在寻求一种材料，在高温区间能够有一个很好的热电转化效应。我们发现硅纳米导线可以做这个事情，并且成本足够低，就决定把它推入市场。

现在我们正在尝试大面积地应用在发电厂、炼钢厂，也可以用于收集汽车排气孔附近的废热。把实验室中基础的东西在比较短的时间内转化为技术，这是一个很成功的例子。

科学人：你在“人工光合作用”相关的应用的研究方面也是领军者，这个计划目前进行到哪里了？

杨培东：人工光合作用更复杂。大约在上个世纪60年代就有人开始做人工光合作用了，最多的是“水分解”。而我们组里最关键的一个技术是把半导体纳米导线的阵列引入到人工光和作用领域当中。

光合作用，“光”是吸收光，“合”是化学反应。从对太阳能电池的研究上，我们已经对光吸收的知识有了基本的了解，另外一个就是怎样做化学反应。

要做化学反应的催化，首先要引入一种高比表面积的高性能的半导体。这样我们的半导体纳米导线就是一个非常好的开始。在我们之前还没有人用半导体纳米导线，我们在概念上引入了这个东西之后，就把高比表面积的半导体纳米导线和催化剂建立了联系。

两年前，我们第一次真正地把这些东西都集成到一块，就形成了一个拿在手里的东西。这时就可以把它放在水里面来光解水。

杨培东团队利用半导体纳米导线的性质，提出了人工光合作用的可行性方案。图片来源：nanowires.berkeley.edu

科学人：就是说人工光合作用，已经有成型的样品出现了？

杨培东：是的，经过十几年的努力，两年前就证明了我们关于半导体纳米导线的概念是对的。关键在于固碳部分很困难，主要是因为催化剂。

水分解的催化剂我们知道的很多，但固碳就不行。比如把CO2还原，可以还原成CO、甲醇、甲烷等等不同的一碳化合物。而且我们最终目标是把太阳能、水、CO2 转化成燃料，所以我们还想做更大的东西，从一碳做到二、三、四碳。

由于手上没有很好的合成的催化剂，所以我们就想利用细菌帮我做这个事情——而正好自然界有细菌能够帮我们做CO2的键合。当半导体纳米导线吸收光之后，就把电子传给催化剂——细菌，细菌吸收CO2后利用水来合成甲烷，乙酸，一直到丁醇，一步到位。

现在我的团队已经提出了一个可行性的途径，真正做到了一步将太阳能、CO2和水转化为化学能。这里面太阳能的转化率与真正植物的转化率是一样的, 甚至更好。关于“人工光合作用”的研究引起了很大的轰动，美国包括国内都在报道这个事情。

“从技术到应用，还需要更多探索”

科学人：人工光合作用如果要投入实践，目前还面临哪些困难？

杨培东：虽然从科学角度的来说我们已经达到了，但还没有达到完全应用的水平。不像之前的废热发电，那是相对已经成熟了解决了的东西。现在我们还正在基础研究阶段，证明了人工光合作用是可行的。接下来我们要把成本降下来，做更稳定的系统，让效率更优化一些，才能谈到应用。现在还不到这个地步。

科学人：您觉得一项技术从发明到全面应用大概需要多少时间？

杨培东：这个时间是不可预期的。比如我们做的废热发电，就花了10来年来进行基础研究。然后我们发现了一种材料，无论是从能量转化效率、稳定性和成本上，产业化已经可以接受了。所以几年内我们就把实验室的东西进行了应用。

但我们之前也没有想到，5年内我们就可以把废热发电的基础研究转变成应用。人工光合作用从研究到应用，也许是5年，也有可能20年。科学上的问题，我们已经证明是可行的了，还需要进一步优化才能把这项技术的稳定性、成本、效率提高些。

科学人：作为纳米材料的专家，您觉得纳米材料有哪些更广泛的运用么？比如未来科技中会有些应用？太空电梯有可能吗？

杨培东：关于纳米的未来科技其实有很多。纳米科技在能源领域的应用是很广的，在生物方面也有很多应用：比如如何定向输送药物，这个做的人也很多，进入了商业化的运作。还有纳米技术和人脑的连接，都是纳米材料应用的例子。

关于纳米材料的研究已经进行很多年了，从80年代末就开始做的碳纳米管，到现在已近二三十年了。纳米材料的应用，我们已经可以慢慢地看到了，比如高清显示屏，这是我第一个公司Nanosys Inc在做的事情。你可能没有意识到纳米材料的出现，但它其实在生活中到处都在。

 科学人：现在您是中国美国两头跑，你是出于什么考虑，选择在美国工作之余，还投身于中国科学教育工作？

杨培东: 我现在是大概每隔一两个月就会回国一趟。像这次我在香港、复旦有个会，这次就有时间可以在上海科大呆几天。我接受你们的提问，也是因为看了你们的网站，我觉得挺有意思的。

我觉得作为一个科学家，当然大部分时间是在做科研，但除此之外还可以做很多事情。比如我在美国，也做一些行政方面的事情。然后我担任美国化学社会会志的副主编，也已经做了十几年。

我和国内的联系也一直很多，2006年我应中科院苏州纳米研究所之邀组建一个国际合作实验室。2013年，帮助上海科技大学建立了物质科学与技术学院。我觉得在国内建设这样一个很“新”的学校，会受益更多学生，甚至产生高教系统的改革。

科学人：给中国学生创造一个更好的研究环境?

杨培东：是的，改善国内一直在强调的科研环境，进行高教系统的改革。

我在中国的工作大部分是帮助改善国内高校研究系统，往更好的方向走。无论是学校的研究，还是科研院所的研究，我都一直在说，从研究生开始，到做助理教授等等要鼓励大家做原创的东西。这也是我在上海科技大学一直在鼓励的事情。

（编辑：wuou，徐赫阳亦有贡献）