顶级材料学家杨培东：纳米科技是如何改变世界的？|研习社课程笔记
如果你对纳米科技的理解还停留在纳米鞋垫、纳米美容，是时候来研习社听课了。纳米科技，正在优化甚至颠覆人类的能源使用结构。
12月10在，在混沌研习社的课堂上，加州大学伯克利分校教授，美国科学院院士，顶级材料学家杨培东，用他的实验室研究和产业结合经验，细致地分享了纳米科技是如何走出实验室，改变人类世界的。
（本文根据杨培东12月10日下午在混沌研习社的课程内容整理而成，约为课程内容的1/8，研习社社员登陆混沌APP＜点此下载＞，免费观看视频回播＜字幕版＞，本次课程12月19日前上线，文末可入社。）
创新创业的根本在于有一个创新的基础科研。
今天我想跟大家分享的是，怎么把实验室中的分析研究，变成现实中能够看得见摸得着的东西。
12月10日，顶级材料学家杨培东在研习社讲台，分享了科技如何改变世界。
纳米技术改变信息科技
让信息储存器更小
让数据传输更快
现实中纳米科技在生活中的应用有很多，比如计算机里的精细管、LED、手机、飞机中的复合材料、硬盘驱动器、药品甚至防水衣等等。
纳米究竟是什么样的数量级概念呢？从物质比例上来说，我们现实中的灰尘，是2-5个微米。但微米，比纳米还要大三个数量级。
目前，半导体纳米导线已经占据纳米科技的很大份额。在科研方面，是我们早期在哈佛的时候把它做起来的，今天我跟大家分享几个相关的故事。
在2001年，我们第一次把激光器件做到了纳米级别。在扫描电镜下，可以看到每个纳米导线就是一个激光，从最早的紫外激光，到后来的蓝色、绿色以及整个可见光区域。
在此之前，大家对激光器件的概念都是“尺寸非常大的”，认为这是不可能的。
2001年我们宣布这个发现的时候，整个光电界都非常激动。
原因在于，一方面，大家现在使用的手机、计算机里的电子器件越来越小。因特尔所做的电子管已经做到十几纳米，最小的电子管，已经做到一个纳米。这些精细管是用电子来做计算的，而电子的速度是比较慢的。
另一方面，我们现在使用手机、计算机得到的信息数据都是通过光纤（光导纤维）传导的。因为光子传播速度比电子快的多。
当时，整个光电业界最需要解决的一个根本性问题是，让电子器件可以和光子器件的尺寸匹配。
我们的研究，开创了一个先例：让光子器件和电子器件在纳米的尺度上进行对接。也因此催生了两个大领域：
一个是纳米级的信息存储。用纳米激光进行信息储存，储存器自然越来越小。
另一个是集成光路。也就是有一天我们可以用光子跟电子来做计算，或者完全用光子来做计算，所以这样的话从速度上面比电子器件快得多。
纳米技术让废热变成电力，为解决全球变暖问题作出了贡献。
提高能源效率
将热量转为能量
废热发电
我们目前应用的大部分能源，都是从地底下挖出来的。从电的角度看，全球能量总消耗约15TW（太瓦），其中80%-90%来源于化石燃料燃烧。
从原油转化为电，是需要用发电厂的发电机组来进行转变的。发电机组的效率通常为40%。也就是说我们投入的能源只有40%能转化为现实中可使用的电。
那么，剩下的60%到哪儿去了？变成废热了。
如果有这么一种材料，能够提高发电组的转换效率，回收废热，那就是很重大的发现。哪怕能回收1%的废热，也将为全世界贡献10%左右的能源。
这在理论上可行的，却遇到了技术瓶颈。
热电材料是一个非常古老的领域，在引进纳米技术之前，技术进步都不是很大。过去的电热材料，技术上有一定的缺陷，而且价格昂贵。
纳米科技是怎样介入的呢？第一次将导电和导热分开了，大大提高了效率。
硅是热的凉导体，散热好。但散热好就不是一个好的热电材料，这是很矛盾的事情。所以从来不会有人用硅做热电材料。
但是我们这个科研，给大家揭示了硅的纳米导线是电的凉导体，同时也是热的绝缘体，两者结合就是很好的热电材料。也就开启了纳米导线硅做热电材料的概念。硅很稳定，而且便宜，可以大规模量产。
于是，我在2009年组建了公司Alphabet Energy。这是世界上唯一可以做热电转换技术的公司。目前公司产品一方面用在发电厂，还有就是国内的油气田、以及汽车尾气处理方面。
Alphabet Energy研发的热电转化设备
我们在发电机组上配备一个集装箱这么大的热电转化设备，一端热蒸汽输入进去，另一端制冷，在温差之间，是我们的热电材料。只要发电机组把高温水蒸气通到这个一起上边来，我们就可以用来发电。
一兆瓦的发电机组，可以通过我们的设备回收2.5%，也就是25千瓦的电力。从全球变暖的角度来说，我们省下2.5%的废热，全球的二氧化碳排放也可以相应减少，这是一个非常可观的技术。
另一方面，我们还可以从汽车尾气回收电。这个电可以回馈到汽车电池中区，还可以省油。而更重要的是通过回收电力，降低碳排放。
在2006年我们发现硅这种热电材料之前，也经过了10年基础科研的积累。而此后的五六年，从单根纳米导线的测量，到这么大规模的一个热电，在我看来这是一个很成功的在短期内从实验室走出来，变成产品的例子。
，
人工光合作用
重构人类能源架构
在火星生活不再是梦
事实上，半导体纳米导线，在能源角度上来说，提高了能源利用效率，但我们使用的还是原来的能源结构。
接下来想讲的，是重新构建人类的能源架构——人工光合作用。就是把二氧化碳、水和太阳能通过一个人工材料或者过程，转化为我们需要的燃料、药品、商业化学品等以及氧气。
人工光合作用涉及到可再生能源，是转化加上存储的过程。过去我们讲的可再生能源，最多是太阳能电池。
但是太阳能发电是在白天，而大家用电是在晚上。所以太阳能电池解决了能源转化的过程，却没有解决储能的问题。有一个解决办法，就是给太阳能电池加上这个储能电池，用两个技术来做可再生能源的事情。
而人工光合作用主要做的事情，是一步到位。
事实上，人工光合作用从上个世纪六、七十年代就开始在实验室中有所研究。但是一直以来都没有人能够真正高效率地把二氧化碳、水、太阳能转化成我们所需要的东西。
两年前，我们实验室把这件事做出来了。
另外通常绿叶的光合作用能源转化率只有百分之零点几。但是从科学的角度上来说，只有这个数字是没有用的。那只是实验室里面的。这是一个很有挑战性的东西，你要学习自然，还要超越自然。
人工光合作用技术，是一个学习自然，超越自然的过程。
2003年，我们劳伦斯伯克利国家实验室主任启动了“太阳神计划”。要在十年内，或者二十年内，真正做出一个集成系统来高效、稳定地做人工光合作用。
在这个过程中，我们引进了半导体纳米导线的概念。半导体纳米导线有一个得天独厚的优点是，他的光电性非常好，可以做光催化。
2003年，这只是一个纸上的蓝图。一晃十年过去了，硅纳米导线的发现，是整个人工光合作用突破的关键。
2015年，我们真正把这个光吸收的半导体、几个电极、无机催化剂、生物催化剂等集合整装出一个体系并发表。
这个体系可以一边产生氧气，另一边的二氧化碳可以转化成一些化学品，比如丁醇。整个过程，我们只要用不同的催化剂，就可以生成不同的化学品。
当时，全美的主流媒体都在报道。
为什么？因为我们现在整个社会使用的汽油、药品中所含的碳，都是从地底下来的。而我们东西是从大气中的二氧化碳来的。
第一个系统效率还很低，和绿叶的能源转化率一样，是0.5%。但在短短的18个月中，我自己的团队和哈佛的团队连续推出了第二个系统、第三个系统，现在可以将太阳能到化学能转化做到8%到10%。
这和太阳能电板是不一样的，是真正太阳能到化学能的高效率转化。
我们的系统有着从根上改变化学和石油工业的潜力，我们完全能够用再生的方式进行化学品和燃料生产，而不是从地下进行获取。
这将是一个真正解决全球暖化的技术。
此外，我们已经在和美国宇航局研究怎么改造火星上的环境。二氧化碳、水、太阳能，这些东西火星上都有，就是没有氧气，所以我们这个系统在原则上是可行的。我们可以生成肥料，然后另一部分释放氧气。可以彻底改变火星上的环境成为人类需要的。
缩短科研到产品之间的实践距离，需要政府、学界、产业界、创投界共同的参与。
缩短科研到产品的距离
政也府要参与
企业和投资也要参与
如果说科研是大学应该做的事情，推入市场是工业界要做的事情，那么中间段由谁来做呢？现在各个国家都在探索。
在美国，很多学校或者国家实验室都是设置在国家或政府层面来做孵化器。事实上，这个中间过程除了政府，是无论科研以及工业界都要介入的过程。
过去很长一段时间，工业界和学校的关系就是工业给学校钱，由学校来提供技术。
但是在2012年的时候，我跟巴斯夫（德国化工企业，也是世界最大的化工厂之一）研究如何将学校和公司的互动变得更好，将实验室的东西尽可能转化成有用的产品。
当时的谈判过程很艰苦，因为涉及到很多专利。最终这个事情在2014年做成了。这就尽可能缩短实验室的研究推入市场的时间。比如，在我们中心里有五个常驻在伯克利校园中心的巴斯夫技术人员。他们百分之百的时间都是在伯克利校园里头，跟我们的学生和教授有近距离的沟通。市场上需要的东西，也可以尽快反馈到研究团队。这极大缩短了科学研究产业化的过程。短短两三年的合作时间，我们已经能看到这种苗头。这是大家可以借鉴的。
我在国内也进行了一些探索。我上个月和苏州市工业园区式签约，我在苏州将依托苏州纳米所。这是一个非常强大的研究平台，孵化器就在纳米所里面。
所以这是我在苏州的目的，就是希望国内学校、研究所，能够把孵化的概念用政府投入来做得更好。这在某种程度上，是借鉴美国现在很多高校在做的事情。
当然，在将研究转化到市场方面，产业界肯定是需要介入的，就像我前面说的巴斯夫。另外，在创投界也是要介入的。在孵化器旁边，匹配投资基金等。我想，这是一个新的方式方法来探索基础技术产业化的过程，并尽可能缩短这个过程。
提问互动环节
政也府要参与
企业和投资也要参与
混沌研习社：您是怎么保持好奇心，让自己能有这么开创性的研究方向的？为什么选择纳米研究领域？
杨培东：无论是废热发电还是人工光合作用，在一开始的时候都是有一个重大问题要去解决。所以整个过程，第一个是需要发现问题，比如人工光合作用的技术瓶颈。
然后利用自己的学术背景，基于科研基础，真正钻进去去解决这个问题。
这是一个很漫长的过程。废热发电是做了十来年有一个突破。人工光合作用也是做了十来年，在两年前才有这么一个突破。
所以一个是要发现问题，第二个就是要理解基础科研是一个漫长的过程。能够理解这么一个过程，然后可以静下心来做一点事情。
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