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比头发丝还小1000倍 纳米材料将开创历史

摘要:  [他是谁]  杨培东,加州大学伯克利分校教授、美国科学院院士、材料学家,他和他的导师所做的原创性工作,开创了纳米科技的新领域——半导体纳米导线,这是继量子点、碳60、碳纳米管之后的第四类纳米
  [他是谁]  杨培东,加州大学伯克利分校教授、美国科学院院士、材料学家,他和他的导师所做的原创性工作,开创了纳米科技的新领域——半导体纳米导线,这是继量子点、碳60、碳纳米管之后的第四类纳米材料,开创了纳米科技的崭新历史。  [精彩观点]:  半导体纳米导线在能源、材料、生物医药方面,都有应用。我们实验室是主要集中在能源方面,这是一个非常大的领域,大概至少有100—200个研究团队在这个领域的不同方向进行研究。此外,现在还有很多研究组在利用半导体纳米导线来做生物的探测。这些都是突破性的技术应用。  正文:  一种比头发丝还小1000倍的纳米材料,正在开创纳米科技的崭新历史。  这是半导体纳米材料,继量子点、碳60、碳纳米管之后的第四类纳米材料。  1993年开始,加州大学伯克利分校教授、美国科学院院士、材料学家杨培东和他的导师所做的原创性工作开创了这个新领域。  最近,杨培东接受网易科技专访,他告诉网易科技,20年过去,人类已经对半导体纳米材料的合成、控制、物理性质、化学性质有了相当的认知积累,并且已经看到它能够在能源转换、生物医药方面发挥重大作用。  做“不一样的东西”  出人意料的是,1993年前后,这项研究开始时,半导体纳米材料并不热门。杨培东回忆,那时热门的是碳60和碳纳米管。  杨培东和他的导师选择了做一些“不一样的东西”。他向网易科技表示:“跟着别人做,会相对简单。但是,那样影响力就不大,因为你不是开创一个领域的人。原创是科研的基石,只有你有原创精神,才能产生一个新的东西,才会最终对社会有一个非常大的影响。”  他说:“当开始一个研究领域的时候,最重要的应该是前期的积累。前期积累到你第一个要想到做这个事情,这就是好奇心,是原创性,或者是一种不要去人云亦云做科研的一种精神。”  突破性应用落地  目前,半导体纳米材料的一些突破性应用已经在逐渐落地。  杨培东的实验室在利用半导体纳米导线在废热发电上已经取得非常大的进步。“主要我们发现把半导体做成这个纳米导线以后它是一个非常好的热电材料。热电材料通常是用来做热跟电的一个转换的一个材料,它的转换效率就会很高。“杨培东解释,他透露,半导体纳米导线用来做废热发电已经在他的第二个公司产业化了。  另外一个例子是尝试用半导体纳米材料实现“人工光合作用”。杨培东解释,半导体纳米导线是高比表面积的半导体,对吸收太阳光非常厉害。“所以我们就用半导体纳米导线来做人工光合作用,因为人工光合作用需要光、需要光吸收、需要光催化。现在半导体纳米导线也就是在我们的人工光合系统里头是一个不可或缺的一个部分。”  他同时透露,用半导体纳米导线也可以来做人工光合作用,做手机里的透明电极,甚至可以探测细胞和人脑,将来在生物技术上也会有突破性的应用。  以下为网易科技专访杨培东部分采访实录:  网易科技:您为什么愿意加入“未来科学大奖”的评选,成为他们科学家委员会的成员?  杨培东:我想在中国设立这么“未来科学大奖”是一个很好的事情,因为这应该是中国民间发起的第一个高标准、有深远影响的科学大奖,这在国外已经有很多了,当然大家大家最熟悉的是诺贝尔奖。十年前Kavli基金会又成立了Kavli大奖,主要是奖励像纳米技术、脑科学、天文物理方面的。在其他国家也很多这样那样的高标准的这种科学大奖,日本也有、韩国也有,当然在中国香港、中国台湾也已经有了。  在中国大陆出现一个民间发起的科学大奖,这对于鼓励促进原创性科研有突破性的科研这方面,应该是一个很大的促进作用。在过去二三十年中,中国对基础科研的投入越来越大,这个的确看到,比如说在物理、化学、生物,计算机、数学等领域有很多这样那样的突破性成果,所以现在是很好的时间点,这个时间点正好我们可以来鼓励、表扬在过去二三十年当中那些有突破性、有原创性的科研。  当然,另外一个层次,作为一个未来大奖,更要鼓励我们的年轻一代的科研工作者来做更多的原创性的,有突破性的科研。  网易科技:我知道您本人的研究领域是半导体纳米材料。您介绍过它用于废热发电和人工光合作用,觉得非常有意思。您的研究领域在整个纳米材料的学科体系当中,处于一个什么样的地位?  杨培东:我在科研的过程当中特别注重原创性的概念。在整个纳米科学的历史上来看,半导体纳米导线应该说是非常重要的一部分。从历史上看,可以说是最早的纳米科学,是从我们通常所说的半导体量子点。量子点通常从物理的角度来看,我们通常说它是三维的,这个中文我也不太清楚,三维的那个quantumconfinementeffect(量子限制效应)。  一个量子点就是一个颗粒,从三维它都是有纳米的尺寸,从历史上来说,它应该是第一个,大概是在八十年代中期出来的。后来五年以后,出来了一个碳60,碳60是获得诺贝尔奖的。然后碳60之后有了碳纳米管,这些都是纳米科技历史上非常非常重要的。碳纳米管之后就是半导体纳米导线了,半导体纳米导线之后就是石墨烯,这就是整个纳米科学发展。如果我们从八十年代初期开始,是纳米科技的起点,到现在几十年当中,有那么几类非常重要的材料,我所从事的半导体纳米导线是其中非常重要的一个部分。  就是因为这种原创的精神,产生了我们纳米科技整个历史当中的第四类,应该是第四类最重要的一类材料。二十多年过去了,现在半导体纳米导线这个领域发展成为非常非常广的一个领域。是原创科研的一个基石,只有你有原创精神才能产生一个新的东西,一种新的材料,然后这个新的材料才会最终对社会有一个非常大的影响。  网易科技:这个半导体纳米导线未来的应用方向是在能源领域吗?它未来主要用在哪些领域?之前见您介绍的废热发电和人工光合作用,都是能源领域的。  杨培东:半导体纳米导线在各个领域现在都有重大的应用了。当然在有重大应用之前,先有的是一个基础研究。大概从1993年开始,我在读研究生的时候把这个概念提了出来,接下来十年当中,我慢慢在琢磨这些半导体纳米导线有什么样的基础的光学性质、电学性质或者化学性质、物理性质,前五年甚至前十年都是在做基础的一些摸索,怎么来做这些半导体纳米导线,怎么来控制这些半导体纳米导线的尺寸。因为这些半导体纳米导线事实上你肉眼是看不到的,比头发丝还小一千倍。  半导体纳米导线是在能源方面、材料方面、健康或者生物医药方面都有应用。只不过我们实验室主要集中在能源方面,因为这是一个非常大的领域,至少有一两百个researchgroup在各个不同的方向在继续拓展。  网易科技:您所看到的这个领域的研究,是不是在大大的加快?它是不是会出现许多突破性的成果?  杨培东:当开始一个研究领域的时候,最重要的应该是前期的积累。前期积累到你第一个要想到做这个事情,这就是好奇心,是原创性,或者是一种不要去人云亦云做科研的一种精神。  我们实验室在利用半导体纳米导线在废热发电上有非常大的进步,主要我们发现把半导体做成这个纳米导线以后它是一个非常好的热电材料。热电材料通常是用来做热跟电的转换材料,它的转换效率就会很高。所以像这个半导体纳米导线用来做废热发电已经是在第二个公司在产业化了。  第二个例子是,半导体纳米导线它是高比表面积的半导体,它对吸收太阳光非常厉害,所以它对光催化又是另外一个突破。所以我们就用半导体纳米导线来做人工光合作用,因为人工光合作用需要光、需要光吸收、需要光催化。现在半导体纳米导线在我们的人工光合系统里头是一个不可或缺的部分。  现在还有很多研究组在利用半导体纳米导线来做生物的探测跟人脑的界面,跟细胞的界面,比如检测细胞里有什么化学品,或者投送什么药品,所以这个是在生物技术上面的应用。所有这些都是突破性的技术应用。  网易科技:您觉得未来互联网、大数据和人工智能的热潮,会不会对它的研究进展或者应用进展有很大的推动作用?  杨培东:现在是人工智能、大数据,的确都是非常热门的话题。事实上我们现在做很多材料科研也好,我们现在最缺乏的,还是一个有预测性理论指导。现在这样的有预测性的理论指导还很欠缺。很多做理论的都在努力把这个预测的精准度提高。我希望有一天能够看到,大数据、人工智能能够帮我们来预测,但是现在现阶段还没有达到这个地步,我想作为大数据、人工智能,能够达到有预测性的指导实验,还需要很长一段时间的推动。
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