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顶级材料学家杨培东:纳米科技是如何改变世界的?

时间:2016/12/22 17:15:48     企业:158机床网   【字体:↑大 ↓小

    

近日,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。

 

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。

 

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%。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。


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。

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。


光合作用本身是自然界中已经有的过程。自然界中的绿叶每天所做的事情就是把大气中的二氧化碳、水,吸收阳光转化成氧气跟碳水化合物。


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。

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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。


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。

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。

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