楊培東：學術研究需要創造性的思考

精細如頭發絲萬分之一的金屬線、小如一只果蠅的神經環路，是普通人幾乎完全忽略掉的“微小”，有人卻能從中找到大樂趣，并且一路挺進成為美國院士。

他是世界上最優秀的材料科學家，在路透社“最優秀100名材料科學家”榜單里排名第一位；只花了四年時間，就成為了伯克利大學化學系的終身教授；因為在納米材料領域里的突出貢獻以及精彩的創造力，2015年他獲得“麥克阿瑟天才獎”。2016年5月3日，他當選美國科學院院士。現在他還同時兼任上海科技大學物質科學與技術學院院長。

他是楊培東，他說：“當你在研究一個全新的領域，才會有新的發現。”

楊培東在中國科技大學求學的時候，導師是錢逸泰院士，專業方向是高溫超導體：“做高溫超導體也好、做納米材料也好，這些都是材料學科的分支，所以實驗方式和實驗手段是很接近的。我本科畢業去哈佛，就開始慢慢進入到納米材料這個領域。”

讀研究生的時候，楊培東決定挑選一個根本沒有人涉獵的方向——半導體納米導線。1994年，在哈佛求學的楊培東和導師開創了半導體納米導線的全新的領域。這也是半導體納米導線這個概念第一次在科學界被定義下來。博士畢業的楊培東希望在博士后學點新的東西，于是離開了半導體納米這個領域大概18個月，選擇了納米材料的自組裝。他在研究生階段和博士后階段做了兩個完全不同的東西。

去伯克利大學組建自己的研究組的時候，楊培東決定把研究方向回到半導體納米導線。納米激光器延續了納米導線有趣的光學性能，2001年楊培東的研究團隊做的納米激光器獲得了里程碑式的成功，2015年獲得了湯森路透的“引文桂冠”獎。

楊培東研究的是一類有著獨特性質的“半導體納米線”，納米線大約只有人類頭發寬度的萬分之一，這些納米線有些可以轉換熱能、光能為電能，有些則可以作為納米激光器，應用廣泛，潛力十分巨大。楊培東一直是這個領域的領軍人物，“廢熱發電”“最小納米激光器”“人工光合作用”，都是他納米導線研究之路上結出的累累碩果。

其中“人工光合作用”是納米技術的一個劃時代的突破。該項研究成果在線發表在2015年4月7日的《納米快報》（Nano Letters.）上，論文題為《Nanowire–Bacteria Hybrids for Unassisted Solar Carbon Dioxide Fixation to Value-Added Chemicals》。斯坦福大學材料學副教授崔屹認為“這是一項先鋒性的工作，開辟了新的研究方向，抓住了人類面對的最至關重要的難題之一（This pioneering work opens up an important new research direction， addressing one of the most critical problems human beings face. ）”。

人們熟知，在大自然界，植物每天都在發生著光合作用，將陽光、水和二氧化碳變為碳水化合物和氧氣，通過這一神奇的過程，植物將外界的能量轉化并儲存起來。楊培東和其團隊研發的“人工光合作用”就是要通過人工的手段，實現這一過程。

楊培東團隊構建了一套由納米線和細菌組成的獨特系統。該系統可捕捉到到尚未進入空氣中的二氧化碳。這一過程模仿自然界的光合作用。在自然界中，植物利用太陽能將二氧化碳和水轉化成碳水化合物。不過，人工光合作用作用的想法則將二氧化碳和水轉換為醋酸酯（acetate），后者是今天很多生物合成反應的基礎。

更令人驚奇的是，科學家們正使用太陽能將二氧化碳轉換為值錢的化工產品，例如生物可降解塑料、藥品甚至是液體燃料。

該技術的關鍵之一S. ovate細菌，這是一種很好的二氧化碳催化劑，能生成醋酸。而醋酸能用于生產各種化工品，包括可與汽油相媲美的燃料——丁醇。在近似自然陽光照射200小時的環境下，楊培東團隊實現的太陽能轉化率為0.38%，這與自然界（光合作用）葉子的轉化率相同。引起業界轟動，隨后哈佛大學的相關研究團隊也迅速跟進。

“我們相信，這是人工光合作用的革命性飛躍！”楊培東說。“我們的系統有潛力從根本上改變石油和化學工業，因為我們的體系中，將以完全可再生的方式生產化學品和能源，而非以前那樣去地底下開采。”

美國等很多國家都試圖捕集利用煤電廠排放的二氧化碳。在可預見的常來，化石能源仍將會是人類所廣泛使用的能源之一。因此找到減少二氧化碳排放、降低溫室效應影響至關重要。科學家們已提出各種辦法捕集二氧化碳。例如：將二氧化碳轉化成無害的有機化合物，甚至是利用小蘇打來吸收二氧化碳，以防排放到大氣中。人工光合作用的精妙之處在于另辟蹊徑：如何捕捉、儲存二氧化碳的難題，被消解為直接將二氧化碳（變廢為寶）派上好用場。

“火星上大氣環境95%是二氧化碳，陽光也充足，唯一的問題是水。”楊培東說，“目前研究發現火星在極地處有水，其他地方有沒有水，有多少水還不清楚。”楊培東說，“人工光合作用”未來可以使用太陽能將二氧化碳轉換為化工產品，例如燃料、藥品、肥料、商用化學品等。有了這些，讓人們在火星上生活真正成為可能。

他表示，目前這一套系統的成本、轉化效率都已經取得突破，唯一的制約因素是穩定性問題，該團隊目前在“生物催化劑”和“固態催化劑”兩個方面同時進行進一步研究，以解決穩定性的問題。除了人工光和作用外，楊培東還利用納米線進行廢熱回收利用的研究，目前已經成功實現商業化，在美國和加拿大的很多油田利用他的這一技術，將廢熱轉化為電能。

楊培東的幾個研究項目都成功從實驗室走向了實際應用，但當談到一項技術從發明到全面應用所需要時間時，楊培東認為這個時間是不可預期的：“我們做的廢熱發電，就花了十年來進行基礎研究。然后我們發現了一種材料，無論是從能量轉化效率、穩定性和成本上，產業化已經可以接受了。所以幾年內我們就把實驗室的東西進行了應用。但我們之前也沒有想到，五年內我們就可以把廢熱發電的基礎研究轉變成應用。人工光合作用從研究到應用，也許是五年，也有可能二十年。科學上的問題，我們已經證明是可行的了，還需要進一步優化才能把這項技術的穩定性、成本、效率提高些。”

盡管已經是終身教授、納米公司的合伙人，楊培東仍然花了很大的精力在中國推進納米材料學的研究和教育工作。他經常提到的一個詞是“原創性”，認為做研究就要做原創性的，別人沒有做過的研究。

作為上科大物質科學與技術學院的創建院長，楊培東為該院的組織與建設奔走：“我來，就是為了發展國內的科研人才。”楊培東希望有志科研的學生們在學習基礎知識的同時，從本科開始就對學術研究進行創造性的思考。