【果壳网专访】杨培东:开创新领域,才会有原

2019-05-28 作者:科学研究   |   浏览(115)

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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“。

纳米是我们9年义务教育中知道的最小单位,而这个“最小单位”中还有着无数的秘密需要我们去探寻。他是杨培,1971年8月出生于中国江苏省苏州市,纳米材料学家,美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士,加州大学伯克利分校化学系S.K.和Angela Chan杰出能源教授和化学教授,上海科技大学物质科学与技术学院院长。

在今年5月3日,他当选美国科学院院士。

1993年杨培东获得中国科技大学应用化学学士学位;1997年获得哈佛大学化学博士学位;1999年进入美国加州大学伯克利分校化学系任教,先后担任助理教授、副教授、终身教授;2001年至2004年连续获得美国阿尔弗雷德·斯隆奖;2003年被美国“技术评论”杂志列入世界100位顶尖青年发明家;2004年获得美国材料学会青年科学家大奖,是第一位获得该奖的中国人;2007年获得美国国家科学基金会沃特曼奖;2011年入选汤森路透集团遴选的最优秀的100名化学家榜单中第十位,同时入选了10年中最优秀的100名材料科学家中第一位;2012年4月当选美国艺术与科学院院士。2014年出任上海科技大学物质科学与技术学院院长。2015年9月获得美国麦克阿瑟天才奖。2016年5月当选美国国家科学院院士。

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。”

杨培东主要研究内容为一维半导体纳米结构及其在纳米光学和能量转化中的应用,包括人工光合作用、纳米线电池、纳米线光子学、纳米线基太阳电池、纳米线热电学、碳纳米管纳米流体、低维纳米结构组装、新兴材料和纳米结构合成和操控。

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。

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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。

2001年6月,杨培东的研究小组在《科学》报道说,在只及人类头发丝千分之一的纳米导线上制造出了世界上最小的激光器——纳米激光器,这一发明将有可能用于未来的光子计算机。

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。

2002年2月,杨培东领导的小组在美国《纳米通讯》杂志上报告说,他们已成功地找到一种制造“多层结构”纳米线的方法,能够使硅和锗这两种不同的材料交织组成单根纳米线。这些线的尺度在纳米水平,最细的达到20纳米。

jin2055金沙网站 3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

2003年4月,英国《自然》杂志刊登了杨培东研究组发表的单晶体氮化镓纳米管论文,这种纳米管耐久、性质一致,有优良的光电性能。

“做创新的东西,才会有新的发现”

2005年6月,杨培东及其合作伙伴Majumdar研发出世界上第一个液体纳米晶体管。

科学人:为什么选择做纳米材料这个方向?

2014年4月17日,杨培东团队在人工光合作用方面取得划时代(Game-Changing)的科研成果。

jin2055金沙网站,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。 

2016年,在《Science》杂志发表论文报告了一种将非光合作用的细菌改造成一种可以进行光合作用的系统。

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。

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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。

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.b

后来博士毕业,在我看来博士后需要学点新的东西,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。

实际上,光合作用无处不在,而要实现人工光合作用却是科学上一大难题。“我们在实验室实现了人工光合作用8-10%的转化效率,已超过了植物的转化率。最近加入了美国宇航局的火星计划,火星上95%是二氧化碳,希望未来能把人工光合作用搬到火星上。”杨培东曾表示。

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。

做科研要有辨识度,这是杨培东在采访中说得最多的一句话。“术业有专攻,每个科研人员都要让自己有辨识度,要让别人在15秒钟想起他做了什么工作,否则大家都是一张脸谱。”

jin2055金沙网站 5杨培东(右)在接受科学人采访时,反复强调“原创性”在科学研究中的重要。摄影:科学人

杨培东就是这么一位有辨识度的科学家。在哈佛大学攻读博士学位时,他身边几乎所有的人都在研究碳纳米管,他不愿意随大流,选择了半导体纳米导线这个方向,研制出世界上第一个纳米导线激光器。之后他在这个领域创下的不俗成就,也使得他成为了2014年诺贝尔奖的热门人选。

“我做的是基础研究”

他本可以沿着这个方向一直做下去。一次,他和一位生物学家聊天,对方说到自然界除了酶催化,还有细菌催化,比如酿造啤酒就是一个细菌催化的过程。犹如醍醐灌顶,他突然想到,能否把细菌用来做催化剂和纳米导线相结合。这一“异想天开”的想法,不被任何人所理解,在申请美国科研基金时也被拒绝。他没有轻言放弃,“二氧化碳 水”这个化学方程式在他看来,是一个可以创造奇迹的过程,只要有合适的催化剂,不仅可以变成氧气,还可以变成燃料和化学品。他确实创造了奇迹,他的团队在实验室复制了植物光合作用,实现了人工光合作用0.38%的转化效率,当时这一数字已经与植物的转化率相当,前两年达到了0.5%,最新的数据是8-10%。

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?

“做科研有三个层次。第一层是跟进式的二次创新,其实,这不应在高校和科研院所做,而更适合在企业做,往技术方面发展;第二层是在一些冷僻领域里做原创,当然也有可能是错的,这需要时间去考证;第三层是在现有的成熟领域,有很多从0到1的原创性工作可以做,这样的工作就具有很高的辨识度。”杨培东说,如果习惯了去做跟进的事情,就不会去啃“硬骨头”,人也就有了惰性。如果想让自己的科研工作有辨识度,首先要有原创的态度。

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。

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