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諾獎候選者、華人之光楊培東：讓CO2變糖，變汽油，變藥品...！

來源：時間：2023-12-06 15:33:17 瀏覽：3310次

楊培東，納米材料學(xué)家，美國麥克阿瑟天才獎獲得者，美國藝術(shù)與科學(xué)院院士、美國國家科學(xué)院院士，中國科學(xué)院外籍院士，加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)系S.K.和Angela Chan杰出能源教授和化學(xué)教授，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長。

作為納米材料領(lǐng)域的頂級科學(xué)家，楊培東院士主要研究內(nèi)容為一維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)及其在納米光學(xué)和能量轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，包括人工光合作用、納米線電池、納米線光子學(xué)、納米線基太陽電池、納米線熱電學(xué)、碳納米管納米流體、低維納米結(jié)構(gòu)組裝、新興材料和納米結(jié)構(gòu)合成和操控等。他也據(jù)此奠定了合成納米線的基礎(chǔ)化學(xué)，開辟了具有重大科學(xué)影響的材料研究領(lǐng)域。

迄今為止，楊培東院士在包括Nature、Science、Nat. Nanotechnol.、Nat. Mater.、Nat. Comm.、Nat. Catal.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等頂級學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文490余篇，總引用量高達(dá)18萬余次，H因子205，篇均被引用次數(shù)超過370次，且被應(yīng)邀作大會/特邀報告超過300次，擁有專利40余項。目前，楊培東院士擔(dān)任化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊J. Am. Chem. Soc.的副主編，并擔(dān)任多個國際期刊編委。

圖1 谷歌學(xué)術(shù)檢索楊培東院士學(xué)術(shù)成果信息

曾為諾獎候選人的楊培東院士在學(xué)術(shù)領(lǐng)域的造詣自然是無需多提，相比于解決常見的科學(xué)問題，他的目光更加長遠(yuǎn)。他的心里不光裝著祖國，更裝著人類的未來，他希望有朝一日自己能解決全球氣候變暖問題，希望自己的研究成果能為未來地球的星際生活提供能源和食物！這就是頂尖科學(xué)家的覺悟與人生格局！

本期，小GO就帶領(lǐng)大家走進(jìn)讓能CO2變成糖、汽油甚至是藥品的楊培東院士！

少年乘風(fēng)起

1971年8月，楊培東出生在江蘇省蘇州市相城區(qū)元和街道蠡口社區(qū)。父親是醫(yī)生，母親是幼兒園老師，父母打小就特別注重對楊培東的教育。

尤其是父親，在楊培東小學(xué)的時候就開始鼓勵他多讀課外書籍，甚至常年給他訂閱時比較熱門的《少年報》和《少年文藝》等雜志，也經(jīng)常拿少兒讀物作為楊培東的禮物。在家庭氛圍的熏陶下，楊培東小學(xué)和初中的成績都十分出眾。

1985年，楊培東從江蘇省首批示范初中蠡口中學(xué)考入江蘇省木瀆高級中學(xué)。進(jìn)入高中的楊培東繼續(xù)維系了他“學(xué)神”的名號，各科成績常年在年級里名列前茅！

圖2 江蘇省木瀆高級中學(xué)

然而，楊培東也有苦惱，那就是體育。

雖然各科成績都十分拔尖，但自小就身材瘦小的楊培東，體質(zhì)很差。而國家當(dāng)時對考大學(xué)的學(xué)生是有體育標(biāo)準(zhǔn)的，只有達(dá)到國家制定的體育標(biāo)準(zhǔn)，才能夠考大學(xué)，這對楊培東來說簡直難如登天！

為了達(dá)到體育考核標(biāo)準(zhǔn)，楊培東經(jīng)常主動找到體育老師學(xué)習(xí)技巧，并且一有機(jī)會就自己鍛煉，上體育課時，他總是要求比別人練習(xí)更高的難度，后來終于順利達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)！

1988年夏天，眼瞅著就要高考了，正在全力備考的楊培東突然得了急性闌尾炎。父母和老師都勸他休息養(yǎng)病，他卻這樣回答：“沒關(guān)系，我可以躺在病床上復(fù)習(xí)”。

正是這股沖勁，楊培東高考時取得了601分的高分，位居全校第一。這個成績在當(dāng)時可以輕松報考清華大學(xué)，但楊培東有自己的想法，他覺得當(dāng)時的清華更偏向于工程技術(shù)方面，而他更想搞科學(xué)研究。最終，楊培東報考了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，并被順利錄?。『髞項钆鄸|高中的班主任孫鎮(zhèn)榮回憶說：“考上清華大學(xué)，是絕大多數(shù)莘莘學(xué)子做夢都想的，但楊培東他的想法就是和別人不一樣，他鉆勁十足，做的又是自己感興趣的事情，成功是情理之中的”。

圖3 青年楊培東

1992年，還在校期間的楊培東獲得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭沫若獎學(xué)金，以獎勵他在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的優(yōu)異表現(xiàn)，隨后順利取得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)士學(xué)位。

1993年夏天，22歲的楊培東走出合肥來到美國波士頓，開始了4年哈佛之旅。楊培東攻讀的是化學(xué)博士學(xué)位，師從著名材料科學(xué)家Charles M. Lieber。

在哈佛的那一段時間也是楊培東真正意義上科研生涯的開端。第一年的時候，他的科研項目開展得并不順利，作為留學(xué)生來說，就需要擔(dān)心接下來做什么來完成他的博士學(xué)位。當(dāng)時擺在楊培東跟導(dǎo)師之間就兩個選擇：一個是可以隨大流，第二個是冒險做新領(lǐng)域。

當(dāng)時的學(xué)術(shù)界，大部分人都在做一種叫做碳納米管的材料，十分熱門，但楊培東決定發(fā)揚(yáng)一下革命的冒險精神，他首次引進(jìn)了半導(dǎo)體納米導(dǎo)線這個概念，并一舉獲得了成功。憑借相關(guān)成果，楊培東于1997年成功取得哈佛大學(xué)化學(xué)系博士學(xué)位！

當(dāng)時的美國化學(xué)界有個規(guī)矩，學(xué)生畢業(yè)后一般不直接留校做教授搞研究，而必須先去其他大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)磨練，以此防止學(xué)術(shù)上的近親繁殖和裙帶關(guān)系，也可促使畢業(yè)生拓展視野、幫助學(xué)校吸納各方精英。因此，告別哈佛之后，楊培東在導(dǎo)師的引薦下來到加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校從事博士后研究，合作導(dǎo)師為Galen Dean Stucky。

在圣芭芭拉分校，楊培東僅僅用18個月就完成了博士后研究，并獲得近10所大學(xué)的工作邀請。1999年，28歲的楊培東選擇加入加利福尼亞大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)系，成為助理教授，獨立負(fù)責(zé)一個實驗室的科研工作。

圖4 加利福尼亞大學(xué)伯克利分校外景

盡管博士后工作只持續(xù)了18個月，但這一經(jīng)歷對于楊培東的職業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。他說：“在圣芭芭拉，我是個博士后研究員，有充分的研究自由。我可以形成我個人的想法，然后把它們轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。在某種程度上，這是我發(fā)展獨立研究技能的階段，這一步非常重要，因為接下來，我在伯克利一開始就是做獨立研究”。

正是在這里，楊培東從一個默默無名的學(xué)術(shù)新人逐漸成長為后來納米領(lǐng)域名振全球的頂級科學(xué)家；也正是在這里，這個從江蘇省蘇州市走出的瘦弱小伙子逐漸成長為學(xué)術(shù)界的“巨人”！

青云直上的材料科學(xué)家

身為助理教授，楊培東在伯克利分校擁有一個由20名學(xué)生組成的研究組，而這，就是他“夢開始的地方”！

2001年6月，楊培東帶領(lǐng)的研究小組在國際最頂級的學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表論文，稱在只及人類頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出了世界上最小的激光器——納米激光器，這一發(fā)明將有可能用于未來的光子計算機(jī)。論文一舉登上Science期刊的封面，也正是這篇論文，幾乎奠定了楊培東在納米研究領(lǐng)域的地位。

圖5 楊培東團(tuán)隊發(fā)表在Science期刊上論文的標(biāo)題及摘要

也就從這一年起，楊培東連續(xù)四年獲得美國阿爾弗雷德·斯隆獎！

2002年2月，楊培東團(tuán)隊又在美國Nano Communications期刊上發(fā)文稱，他們已成功地找到一種制造“多層結(jié)構(gòu)”納米線的方法，能夠使硅和鍺這兩種不同的材料交織組成單根納米線。這些線的尺度在納米水平，最細(xì)的達(dá)到20納米。

2003年，國際頂級期刊Nature刊登了楊培東團(tuán)隊發(fā)表的單晶體氮化鎵納米管論文，這種納米管耐久、性質(zhì)一致，有優(yōu)良的光電性能，并且率先實現(xiàn)了二維半導(dǎo)體接口向一維的轉(zhuǎn)換。而由此產(chǎn)生巨大的應(yīng)用潛力，使其未來在計算機(jī)器件、光電器件、化學(xué)和生物傳感器等領(lǐng)域，都將“占有很大的一席之地”。同年，楊培東被美國MIT Technology Review期刊列入“世界100位頂尖青年發(fā)明家”。

接踵而至的突破性成果也獲得了業(yè)界的認(rèn)可！

2004年，楊培東受聘為加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)系終身教授，是伯克利化學(xué)系歷史上，繼李遠(yuǎn)哲后的第二位華人科學(xué)家，同年又獲得美國材料學(xué)會（MRS）青年科學(xué)家大獎！

2005年，楊培東獲得美國化學(xué)學(xué)會純粹化學(xué)獎（ACS Award in Pure Chemistry），以表彰楊培東在化學(xué)領(lǐng)域做出的杰出貢獻(xiàn)。也就是在這一年，楊培東團(tuán)隊再做突破，和合作伙伴Majumdar等人研發(fā)出世界第一個液體納米晶體管，這將成為未來生化處理器的奠基性技術(shù)。

無怪乎兩年后的2007年，Science期刊以“Rapid Rise”（青云直上）為題報道了楊培東：文章引用科學(xué)信息研究所的統(tǒng)計數(shù)據(jù)說，以1995年至2005年論文引用次數(shù)而言，楊培東名列最頂尖的10名材料科學(xué)家之列，他的論文平均引用次數(shù)超過100次，幾乎是僅居其次的科學(xué)家引用數(shù)的兩倍。

此外，楊培東在2007年還獲得了美國全國科學(xué)基金會“艾倫·沃特曼獎”，而這也被視為楊培東科研生涯成功的標(biāo)志之一。評委會這樣評價楊培東及其研究成果：楊培東在納米線、原子組裝等方面進(jìn)行了“開創(chuàng)性研究”，這些研究有望應(yīng)用于一系列高技術(shù)設(shè)備，如計算機(jī)電路、新型太陽能電池板以及生物傳感器等，意義重大。

2010年，楊培東研究團(tuán)隊作為領(lǐng)導(dǎo)成員之一，參與美國能源部一項投入達(dá)1.22億美元的“人工光合作用”環(huán)保新能源技術(shù)研究計劃。美國能源部稱，該計劃將極大促進(jìn)這項“革命性”能源技術(shù)的開發(fā)。

2011年2月，世界一流的企業(yè)及專業(yè)情報信息提供商湯森路透發(fā)布了2000-2010年“全球頂尖一百化學(xué)家榜單”和“全球頂尖一百材料科學(xué)家”榜單，榜單依據(jù)過去十年中所發(fā)表研究論文的影響因子而確定，含金量十足！其中，楊培東在“全球頂尖一百化學(xué)家榜單”中排名第10，而在“全球頂尖一百材料科學(xué)家”榜單中排名第1！

圖6 全球頂尖一百材料科學(xué)家華人榜單

從初生牛犢到“青云直上”，再到排名第1的材料科學(xué)家，不惑之年的楊培東憑借的是一股沖勁和韌勁，而這些榮譽(yù)也好、獎勵也罷，在他心里都只是他前進(jìn)路上小小的風(fēng)景，他對科學(xué)研究的熱情似乎才開始真正的起步！

讓CO₂變糖、變汽油、變藥品

2012年4月18日，美國藝術(shù)與科學(xué)院公布了2012新增院士名單，楊培東憑借自己在化學(xué)和納米材料領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，成功當(dāng)選為美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。同年10月，在匹茲堡召開的材料科技會議上獲得愛德華·奧爾頓獎（Edward Orton）。一起獲獎的還有中科院外籍院士王中林，王中林何許人也？他是中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所創(chuàng)始所長、現(xiàn)任所長，中國科學(xué)院大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長，納米發(fā)電機(jī)之父，華人最高H因子！（詳見本公眾號推文：傳奇院士王中林：納米發(fā)電機(jī)之父，華人最高H因子?。?/span>

2013年8月，楊培東入選2013年度中國科學(xué)院“海外評審專家”。“中國科學(xué)院海外評審專家”會參與中科院科技發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃制定、重大科技立項、高層次人才評審、科研機(jī)構(gòu)評估、重要獎勵評定等方面咨詢和評議等工作，有利于充分發(fā)揮海外高端人才引領(lǐng)示范作用。

圖7 楊培東獲中國科學(xué)院“海外評審專家”

2014年4月，楊培東創(chuàng)立上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，他擔(dān)任首屆院長。4月17日，楊培東團(tuán)隊發(fā)文公布了一項劃時代（Game-Changing）的科研成果：他的團(tuán)隊在人工光合作用方面的研究有望解決由二氧化碳（CO2）引起的全球氣候變暖這一科學(xué)難題。而這，或許才是他最想做的事！

2014年9月，湯森路透公司發(fā)布2014年度引文桂冠獎獲獎名單，加州大學(xué)伯克利分校楊培東令人矚目的出現(xiàn)在該名單上。湯森路透引文桂冠獎是由湯森路透公司推出的一項通過數(shù)據(jù)定量分析得出的學(xué)術(shù)獎項，旨在表彰最有影響力的研究人員。該獎項自2002年開始評選，每年一次，截止到2014年，湯森路透已成功預(yù)測了35位諾貝爾獎得主，素有“諾獎風(fēng)向標(biāo)”之稱，可見分量之重。

2015年9月，美國麥克阿瑟“天才獎”揭曉，楊培東出現(xiàn)在名單中。麥克阿瑟“天才獎”是美國最大的私人基金會之一麥克阿瑟基金會（John D. and Catherine T. MacArthur Foundation）于1981年發(fā)起，授獎范圍橫跨科學(xué)、文學(xué)、藝術(shù)等多個領(lǐng)域。每年麥克阿瑟基金會遴選20-40位來自不同領(lǐng)域、具有杰出創(chuàng)造力的人士，授予他們這一獎項，該獎項也被視為美國跨領(lǐng)域最高獎項之一。

在接受采訪時，楊培東這樣說道：“這是對我們過去10來年在半導(dǎo)體納米導(dǎo)線方面研究的認(rèn)可，對我們現(xiàn)在正在做的人工光合作用是一個非常大的促進(jìn)，鼓勵我們繼續(xù)利用半導(dǎo)體納米導(dǎo)線在人工光合作用方面做出更多的貢獻(xiàn)”。

但楊培東卻不滿足于此，因為楊培東的目光不只在地球，而是放到了更遙遠(yuǎn)的火星，楊培東認(rèn)為這種獨立的光合作用系統(tǒng)也許將在火星移民里面發(fā)揮巨大的作用。

楊培東的構(gòu)想是通過人工光合作用來達(dá)到改善火星的環(huán)境的計劃，火星上95%都是CO2，所以在火星上進(jìn)行轉(zhuǎn)化CO2反而比地球上面做容易的多，原料更充足。如果能在火星上進(jìn)行人工光合作用，就可以在火星上實行CO2的轉(zhuǎn)化，利用人工光合作用可以生產(chǎn)燃料、化學(xué)品，可以改善火星的生存環(huán)境，使火星的環(huán)境不在惡劣，適合人類生存，從而達(dá)到人類移民火星的目的。

圖8 CO2轉(zhuǎn)化為燃料

說做就做，楊培東團(tuán)隊構(gòu)建了一套由納米線和細(xì)菌組成的共同系統(tǒng)。該系統(tǒng)可捕捉到尚未進(jìn)入空氣中的CO2。這一進(jìn)程仿照自然界的光合效果。在近似自然陽光照射200小時的環(huán)境下，該系統(tǒng)完成的太陽能轉(zhuǎn)化率為0.38%，這與自然界（光合效果）葉子的轉(zhuǎn)化率相同。

2021年9月，楊培東帶領(lǐng)的SSwEET團(tuán)隊（Space-Sugar with Electrochemical Energy Technology）利用CO2制糖，有望通過將其喂給微生物，使得太空探索者或行星定居者可以生物制造有機(jī)分子，如食物、生物塑料和藥品。該成果成功斬獲美國國家航空航天局（NASA）舉辦的CO2轉(zhuǎn)化大賽最高獎。

圖9 SSwEET團(tuán)隊主要成員

如今，楊培東已經(jīng)和美國宇航局深入合作，嘗試把火星上的CO2和N2轉(zhuǎn)化為人類所需求的化學(xué)品和燃料。也許在不遠(yuǎn)的未來，他帶領(lǐng)團(tuán)隊設(shè)計的人工光合作用系統(tǒng)會大放異彩，火星也會成為人類的后花園！

華人之光

值得一提的是，2016年5月，楊培東又當(dāng)選為美國科學(xué)院院士，但他好像顯得很平靜。

楊培東常說：科學(xué)是從0到100的旅程。0到1是產(chǎn)生新知識的過程，這是每一個細(xì)分領(lǐng)域里根本性的工作，將會被作為基礎(chǔ)知識寫進(jìn)教科書。1到99是不斷優(yōu)化的過程，大量的科研工作者發(fā)力于此，憑借基礎(chǔ)性理論，讓大量成果生根發(fā)芽。99到100過程中，科研轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，將切實改變?nèi)藗兊纳?。楊培東始終推崇思想家愛默生的一句話：“不要去走別人走的老路，要在還沒有路的地方，給別人蹚出一條道來”。

雖然人在美國，但楊培東一直心系故土，關(guān)心中國的科技發(fā)展。

2006年，楊培東被聘為清華大學(xué)化學(xué)系教育部第七批長江學(xué)者獎勵計劃特聘教授；2008年，參與籌建了中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，出任研究所客座教授并負(fù)責(zé)組建領(lǐng)導(dǎo)一個國際合作實驗室；2011年，曾為中國科技大學(xué)培東實驗基地、培東實驗班揭牌；2014年，出任上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長后，為中國培養(yǎng)了很多的青年才??；2016年，牽頭將納米能源材料研究所暨天際創(chuàng)新中心落戶蘇州工業(yè)園區(qū)……

圖10 楊培東在蘇州納米能源材料研究所暨天際創(chuàng)新中心落戶儀式上致辭

2020 年 9 月 8 日，根據(jù)國際能源獎委員會會議的結(jié)果，確定了2020 年全球能源獎獲得者名單，美籍華人楊培東獲得“非常規(guī)能源獎”！全球能源獎每年評選一次，以表彰那些影響地球生命并提供解決能源挑戰(zhàn)的技術(shù)的杰出研究。從 2019 年開始，該獎項分為三類：“傳統(tǒng)能源”、“非常規(guī)能源”和“新能源使用方式”。楊培東的獲獎理由是：開創(chuàng)性納米顆粒太陽能電池和人工光合作用。

圖11 全球能源獎頒獎典禮

2021年11月18日，中國科學(xué)院公布了“2021年中國科學(xué)院院士增選當(dāng)選院士名單”。根據(jù)《中國科學(xué)院院士章程》《中國科學(xué)院院士增選工作實施細(xì)則》《中國科學(xué)院外籍院士選舉辦法》等規(guī)定，2021年中國科學(xué)院選舉產(chǎn)生了65名中國科學(xué)院院士和25名中國科學(xué)院外籍院士。其中，美籍華人學(xué)者、加州大學(xué)伯克利分校楊培東當(dāng)選中國科學(xué)院外籍院士。

三院院士、身在美國心在祖國、全力攻克全球氣候變暖難題、心系人類的未來……楊培東是頂級的材料科學(xué)家，更是偉大的材料科學(xué)家，他是當(dāng)之無愧的華人之光！

?結(jié)語

誰也沒想到從江蘇省相城區(qū)走出的一個瘦弱少年，有一天會屹立在世界之巔；誰也沒想到那個棄清華選中科大的倔強(qiáng)小伙子，有一天會名震海外。于他而言，成功似乎不是偶然而是必然，他的堅韌、沖勁，他的勤奮、刻苦，他的想法、格局，都遠(yuǎn)超常人。他告訴我們，人生路上要敢闖敢沖，大毅力方成大事業(yè)，他就是楊培東，心系故土的華人之光！

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