近日，加州大學(xué)伯克利分校教授，美國(guó)科學(xué)院院士，頂級(jí)材料學(xué)家楊培東，用他的實(shí)驗(yàn)室研究和產(chǎn)業(yè)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，細(xì)致地分享了納米科技是如何走出實(shí)驗(yàn)室，改變?nèi)祟?lèi)世界的。
納米技術(shù)改變信息科技
讓信息儲(chǔ)存器更小
讓數(shù)據(jù)傳輸更快
現(xiàn)實(shí)中納米科技在生活中的應(yīng)用有很多，比如計(jì)算機(jī)里的精細(xì)管、LED、手機(jī)、飛機(jī)中的復(fù)合材料、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、藥品甚至防水衣等等。
納米究竟是什么樣的數(shù)量級(jí)概念呢？從物質(zhì)比例上來(lái)說(shuō)，我們現(xiàn)實(shí)中的灰塵，是2-5個(gè)微米。但微米，比納米還要大三個(gè)數(shù)量級(jí)。
目前，半導(dǎo)體納米導(dǎo)線已經(jīng)占據(jù)納米科技的很大份額。在科研方面，是我們?cè)缙谠诠鸬臅r(shí)候把它做起來(lái)的，今天我跟大家分享幾個(gè)相關(guān)的故事。
在2001年，我們第一次把激光器件做到了納米級(jí)別。在掃描電鏡下，可以看到每個(gè)納米導(dǎo)線就是一個(gè)激光，從最早的紫外激光，到后來(lái)的藍(lán)色、綠色以及整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域。
在此之前，大家對(duì)激光器件的概念都是“尺寸非常大的”，認(rèn)為這是不可能的。
2001年我們宣布這個(gè)發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，整個(gè)光電界都非常激動(dòng)。
原因在于，一方面，大家現(xiàn)在使用的手機(jī)、計(jì)算機(jī)里的電子器件越來(lái)越小。因特爾所做的電子管已經(jīng)做到十幾納米，最小的電子管，已經(jīng)做到一個(gè)納米。這些精細(xì)管是用電子來(lái)做計(jì)算的，而電子的速度是比較慢的。
另一方面，我們現(xiàn)在使用手機(jī)、計(jì)算機(jī)得到的信息數(shù)據(jù)都是通過(guò)光纖（光導(dǎo)纖維）傳導(dǎo)的。因?yàn)楣庾觽鞑ニ俣缺入娮涌斓亩唷?/span>
當(dāng)時(shí)，整個(gè)光電業(yè)界最需要解決的一個(gè)根本性問(wèn)題是，讓電子器件可以和光子器件的尺寸匹配。
我們的研究，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)先例：讓光子器件和電子器件在納米的尺度上進(jìn)行對(duì)接。也因此催生了兩個(gè)大領(lǐng)域：
一個(gè)是納米級(jí)的信息存儲(chǔ)。用納米激光進(jìn)行信息儲(chǔ)存，儲(chǔ)存器自然越來(lái)越小。
另一個(gè)是集成光路。也就是有一天我們可以用光子跟電子來(lái)做計(jì)算，或者完全用光子來(lái)做計(jì)算，所以這樣的話從速度上面比電子器件快得多。
提高能源效率
將熱量轉(zhuǎn)為能量
廢熱發(fā)電
我們目前應(yīng)用的大部分能源，都是從地底下挖出來(lái)的。從電的角度看，全球能量總消耗約15TW（太瓦），其中80%-90%來(lái)源于化石燃料燃燒。
從原油轉(zhuǎn)化為電，是需要用發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的。發(fā)電機(jī)組的效率通常為40%。那么，剩下的60%到哪兒去了？變成廢熱了。
如果有這么一種材料，能夠提高發(fā)電組的轉(zhuǎn)換效率，回收廢熱，那就是很重大的發(fā)現(xiàn)。哪怕能回收1%的廢熱，也將為全世界貢獻(xiàn)10%左右的能源。
這在理論上可行的，卻遇到了技術(shù)瓶頸。
熱電材料是一個(gè)非常古老的領(lǐng)域，在引進(jìn)納米技術(shù)之前，技術(shù)進(jìn)步都不是很大。過(guò)去的電熱材料，技術(shù)上有一定的缺陷，而且價(jià)格昂貴。
納米科技是怎樣介入的呢？第一次將導(dǎo)電和導(dǎo)熱分開(kāi)了，大大提高了效率。
硅是熱的涼導(dǎo)體，散熱好。但散熱好就不是一個(gè)好的熱電材料，這是很矛盾的事情。所以從來(lái)不會(huì)有人用硅做熱電材料。
但是我們這個(gè)科研，給大家揭示了硅的納米導(dǎo)線是電的涼導(dǎo)體，同時(shí)也是熱的絕緣體，兩者結(jié)合就是很好的熱電材料。也就開(kāi)啟了納米導(dǎo)線硅做熱電材料的概念。硅很穩(wěn)定，而且便宜，可以大規(guī)模量產(chǎn)。
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Alphabet Energy研發(fā)的熱電轉(zhuǎn)化設(shè)備
我們?cè)诎l(fā)電機(jī)組上配備一個(gè)集裝箱這么大的熱電轉(zhuǎn)化設(shè)備，一端熱蒸汽輸入進(jìn)去，另一端制冷，在溫差之間，是我們的熱電材料。只要發(fā)電機(jī)組把高溫水蒸氣通到這個(gè)一起上邊來(lái)，我們就可以用來(lái)發(fā)電。
一兆瓦的發(fā)電機(jī)組，可以通過(guò)我們的設(shè)備回收2.5%，也就是25千瓦的電力。從全球變暖的角度來(lái)說(shuō)，我們省下2.5%的廢熱，全球的二氧化碳排放也可以相應(yīng)減少，這是一個(gè)非?？捎^的技術(shù)。
在2006年我們發(fā)現(xiàn)硅這種熱電材料之前，也經(jīng)過(guò)了10年基礎(chǔ)科研的積累。而此后的五六年，從單根納米導(dǎo)線的測(cè)量，到這么大規(guī)模的一個(gè)熱電，在我看來(lái)這是一個(gè)很成功的在短期內(nèi)從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)，變成產(chǎn)品的例子。
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人工光合作用
重構(gòu)人類(lèi)能源架構(gòu)
在火星生活不再是夢(mèng)
事實(shí)上，半導(dǎo)體納米導(dǎo)線，在能源角度上來(lái)說(shuō)，提高了能源利用效率，但我們使用的還是原來(lái)的能源結(jié)構(gòu)。
接下來(lái)想講的，是重新構(gòu)建人類(lèi)的能源架構(gòu)——人工光合作用。就是把二氧化碳、水和太陽(yáng)能通過(guò)一個(gè)人工材料或者過(guò)程，轉(zhuǎn)化為我們需要的燃料、藥品、商業(yè)化學(xué)品等以及氧氣。
人工光合作用涉及到可再生能源，是轉(zhuǎn)化加上存儲(chǔ)的過(guò)程。過(guò)去我們講的可再生能源，最多是太陽(yáng)能電池。
但是太陽(yáng)能發(fā)電是在白天，而大家用電是在晚上。所以太陽(yáng)能電池解決了能源轉(zhuǎn)化的過(guò)程，卻沒(méi)有解決儲(chǔ)能的問(wèn)題。有一個(gè)解決辦法，就是給太陽(yáng)能電池加上這個(gè)儲(chǔ)能電池，用兩個(gè)技術(shù)來(lái)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。
事實(shí)上，人工光合作用從上個(gè)世紀(jì)六、七十年代就開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室中有所研究。但是一直以來(lái)都沒(méi)有人能夠真正高效率地把二氧化碳、水、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成我們所需要的東西。
兩年前，我們實(shí)驗(yàn)室把這件事做出來(lái)了。
光合作用本身是自然界中已經(jīng)有的過(guò)程。自然界中的綠葉每天所做的事情就是把大氣中的二氧化碳、水，吸收陽(yáng)光轉(zhuǎn)化成氧氣跟碳水化合物。
另外通常綠葉的光合作用能源轉(zhuǎn)化率只有百分之零點(diǎn)幾。但是從科學(xué)的角度上來(lái)說(shuō)，只有這個(gè)數(shù)字是沒(méi)有用的。那只是實(shí)驗(yàn)室里面的。這是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的東西，你要學(xué)習(xí)自然，還要超越自然。
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人工光合作用技術(shù)，是一個(gè)學(xué)習(xí)自然，超越自然的過(guò)程。
2003年，我們勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任啟動(dòng)了“太陽(yáng)神計(jì)劃”。要在十年內(nèi)，或者二十年內(nèi)，真正做出一個(gè)集成系統(tǒng)來(lái)高效、穩(wěn)定地做人工光合作用。
在這個(gè)過(guò)程中，我們引進(jìn)了半導(dǎo)體納米導(dǎo)線的概念。半導(dǎo)體納米導(dǎo)線有一個(gè)得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)是，他的光電性非常好，可以做光催化。
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2003年，這只是一個(gè)紙上的藍(lán)圖。一晃十年過(guò)去了，硅納米導(dǎo)線的發(fā)現(xiàn)，是整個(gè)人工光合作用突破的關(guān)鍵。
2015年，我們真正把這個(gè)光吸收的半導(dǎo)體、幾個(gè)電極、無(wú)機(jī)催化劑、生物催化劑等集合整裝出一個(gè)體系并發(fā)表。
這個(gè)體系可以一邊產(chǎn)生氧氣，另一邊的二氧化碳可以轉(zhuǎn)化成一些化學(xué)品，比如丁醇。整個(gè)過(guò)程，我們只要用不同的催化劑，就可以生成不同的化學(xué)品。
當(dāng)時(shí)，全美的主流媒體都在報(bào)道。
為什么？因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在整個(gè)社會(huì)使用的汽油、藥品中所含的碳，都是從地底下來(lái)的。而我們東西是從大氣中的二氧化碳來(lái)的。
第一個(gè)系統(tǒng)效率還很低，和綠葉的能源轉(zhuǎn)化率一樣，是0.5%。但在短短的18個(gè)月中，我自己的團(tuán)隊(duì)和哈佛的團(tuán)隊(duì)連續(xù)推出了第二個(gè)系統(tǒng)、第三個(gè)系統(tǒng)，現(xiàn)在可以將太陽(yáng)能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化做到8%到10%。
這和太陽(yáng)能電板是不一樣的，是真正太陽(yáng)能到化學(xué)能的高效率轉(zhuǎn)化。
我們的系統(tǒng)有著從根上改變化學(xué)和石油工業(yè)的潛力，我們完全能夠用再生的方式進(jìn)行化學(xué)品和燃料生產(chǎn)，而不是從地下進(jìn)行獲取。
這將是一個(gè)真正解決全球暖化的技術(shù)。
縮短科研到產(chǎn)品的距離
政也府要參與
企業(yè)和投資也要參與
如果說(shuō)科研是大學(xué)應(yīng)該做的事情，推入市場(chǎng)是工業(yè)界要做的事情，那么中間段由誰(shuí)來(lái)做呢？現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家都在探索。
在美國(guó)，很多學(xué)?；蛘邍?guó)家實(shí)驗(yàn)室都是設(shè)置在國(guó)家或政府層面來(lái)做孵化器。事實(shí)上，這個(gè)中間過(guò)程除了政府，是無(wú)論科研以及工業(yè)界都要介入的過(guò)程。
過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，工業(yè)界和學(xué)校的關(guān)系就是工業(yè)給學(xué)校錢(qián)，由學(xué)校來(lái)提供技術(shù)。
但是在2012年的時(shí)候，我跟巴斯夫（德國(guó)化工企業(yè)，也是世界最大的化工廠之一）研究如何將學(xué)校和公司的互動(dòng)變得更好，將實(shí)驗(yàn)室的東西盡可能轉(zhuǎn)化成有用的產(chǎn)品。
當(dāng)時(shí)的談判過(guò)程很艱苦，因?yàn)樯婕暗胶芏鄬?zhuān)利。最終這個(gè)事情在2014年做成了。這就盡可能縮短實(shí)驗(yàn)室的研究推入市場(chǎng)的時(shí)間。比如，在我們中心里有五個(gè)常駐在伯克利校園中心的巴斯夫技術(shù)人員。他們百分之百的時(shí)間都是在伯克利校園里頭，跟學(xué)生和教授有近距離的溝通。市場(chǎng)上需要的東西，也可以盡快反饋到研究團(tuán)隊(duì)。
我在國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了一些探索。我上個(gè)月和蘇州市工業(yè)園區(qū)式簽約，我在蘇州將依托蘇州納米所。這是一個(gè)非常強(qiáng)大的研究平臺(tái)，孵化器就在納米所里面。
所以這是我在蘇州的目的，就是希望國(guó)內(nèi)學(xué)校、研究所，能夠把孵化的概念用政府投入來(lái)做得更好。這在某種程度上，是借鑒美國(guó)現(xiàn)在很多高校在做的事情。
當(dāng)然，在將研究轉(zhuǎn)化到市場(chǎng)方面，產(chǎn)業(yè)界肯定是需要介入的，就像我前面說(shuō)的巴斯夫。另外，在創(chuàng)投界也是要介入的。在孵化器旁邊，匹配投資基金等。我想，這是一個(gè)新的方式方法來(lái)探索基礎(chǔ)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程，并盡可能縮短這個(gè)過(guò)程。
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