世界顶尖科学家论坛&今日头条联手打造的《科学家请回答2022》系列节目收官之作终于上线。2015年麦克阿瑟天才奖得主、中美双料科学院士杨培东教授和中国人民大学附属中学教师、著名科普大V李永乐老师展开了精彩对话。
围绕科技、科幻和科普，他们从《三体》的纳米飞刃聊到《流浪地球》的太空电梯，从《复仇者联盟》的钢铁侠黑科技聊到《火星》的纳米导线，从碳排放、碳中和聊到液态阳光……我们整理了对话的文字实录，分上下两篇推送。
此篇为上篇。下篇《科学原创需培养更多年轻人才 | 杨培东&李永乐对话实录（下）》将于明日放送，敬请期待。
科幻小说也有理论依据
李永乐：学术界有一个很有意思的奖项——麦克阿瑟天才奖，一个敢用天才来命名的奖项，一听就很不一般。它是颁发给各个领域内在持续进行创造性工作方面显示出非凡能力和前途的人；而且它的评选制度也很特别，整个评审的过程非常保密，匿名提名审核；也不需要科学家提交申请或者是面谈；要获奖的科学家自己在获奖之前也是毫不知情的，几乎就是一个意外之喜。
今年我们又受到世界顶尖科学家论坛和今日头条的邀请，来和2015年麦克阿瑟天才奖的得主杨培东教授进行对谈。这位杨教授非常厉害，他是国际顶尖的纳米材料学家，同时也是美国科学院和中国科学院双料院士。下面，我们一起来连线杨教授，听听他的故事。
李永乐：杨教授，您好。
杨培东：李老师，你好。
李永乐：您好。我再简单自我介绍一下，我叫李永乐，是人民大学附属中学的一个物理老师。我做物理老师做了十几年，后来从五年以前开始在今日头条上做科普视频，然后就一直做到现在了。然后去年的时候，我就曾经和我们的一些科学家们做了一些连线，今天也非常荣幸再次和您做连线。
我本身不是研究化学的，然后我在上高中的时候化学成绩不太好，所以今天有很多问题要向您请教。我知道您是通过半导体纳米线还有纳米线光子学的变革性进展，还有为应对全球清洁可再生能源的挑战开辟了新的视野，从而获得了2015年的美国麦克阿瑟天才奖。
但是，对于普通人来说，半导体纳米线、纳米线光子学这些概念非常地陌生，普通人可能只知道什么是纳米，它是一个长度的单位，但什么是纳米线呢？普通人可能知道什么是光，那什么是光子学呢？这些概念可能都不是很清楚。也许很多人听到这些概念之后，就会想到漫威的漫画《复仇者联盟》，里面有一个钢铁侠，他给浩克炫耀的一个黑科技，还有《三体》里边，一根头发丝就能拉起一辆大卡车的纳米材料。所以，杨教授能不能用一些通俗的语言为我们普通的读者介绍一下，这些纳米技术到底是什么？电影里所描述的这些情景，在现实生活中是不是有可能会出现？
杨培东：我自己事实上做Social media挺少的，我今天跟我太太说晚上会跟李老师做一个节目。我太太好像对你挺了解的，说在国内做非常有名的科普节目，讲物理知识非常透彻，讲解微波炉怎么工作讲得一清二楚的。所以，今天非常高兴跟李老师做这么一个节目。纳米或者是纳米导线，是我自己组里这么多年一直在做的这么个东西，你所说的这些电影里头或多或少都在提这种纳米科技，我们就从《三体》开始谈起，我看了第一、第二集，那里头从一开始就在谈纳米飞刃吧。我不知道李老师你有没有看过《三体》？
李永乐：我跟您一样，我是了解了一点《三体》，但没有完整地把它看完。
杨培东：《三体》里头，一开始就提到这么一个纳米飞刃的事情，主角叫汪淼，汪淼在谈纳米丝。纳米丝，是大概100个纳米左右、非常非常细的一个丝，他可以把它做得像一个飞刀一样，能够切所有的东西，就是说它的机械性能非常好。后面隔几集我看到他又执行了一个“古筝计划”，“古筝计划”就是用纳米丝在运河上面摆布起来，它可以把一个轮船割成一片一片的。
这个当然是科幻小说，但科幻小说里头，我觉得它在创作的过程当中应该是吸收了他在Social media里头（看到的）科学方面的进展。那么，科学的进展在里头是什么？在过去，应该说过去二三十年当中，出现了一类材料叫纳米导线或者叫纳米管，这一类东西就是说，一个半导体，你把它做到几个纳米的层面。几个纳米的层面是什么概念？比如说，一个原子是一个I，高中物理里头都学过，几百个原子排在一个阵列上面，它的截面就是几百个原子；那么个尺寸，把100个原子或者1000个原子放在那个尺寸上面。
所谓的纳米管、纳米导线在这个尺寸上面，它会体现出来一些令人惊讶的化学跟物理的性质，它的化学跟物理性质跟它的传统的材料就不一样了。《三体》里所要展现的东西就是，当这个材料做成这样的一个层面的话，它的机械性能变得非常非常厉害，能够切割所有的东西。当然，我可以说，现阶段没有任何人能够做这个东西，这是科幻小说。
但是，从科学的角度来看，它的确体现了一个非常广识性的共识，当我们把材料做到这么一个层面——比如说这个截面体就是1000个原子的那个截面体，粗略地说，就是头发丝的一百分之一或者一千分之一的大小——的确它的各种各样的性能，跟它的块材料的性能是完全不一样的，比如《三体》里头宣扬的这个机械性能。
我实验室并没有在做机械性能，所以我们回到纳米导线方面。我们可以做纳米的激光，就是在那个截面上面，是一个非常非常小的激光体系，然后它的电性能、它的热导率、它的催化性能都会跟它的块材料不一样。所以，我们所说的纳米科学源于一点，当我们把材料做到这么一个纳米体系的时候，完全就是创造了一种新型的材料，虽然它的成分是一样的，但是它的性质可以完全不一样。
李永乐：很多人奇怪，刘慈欣作为一个电工，他是怎么知道这么多东西的？您说到了刘慈欣一定是看了很多这种公开媒体上的报道。包括像纳米材料其实也是一种新材料，也是在最近这几十年里面才逐渐火起来的。刘慈欣可能在杂志上看到这个概念了，他就想，我把它写进我的小说里。他可能很多东西都是这样做到的，包括前一段时间中国有一部很火的电影，叫《流浪地球2》，不知道您看了没？
这部电影也是借刘慈欣的《流浪地球》这部小说来做，它里面增加了一个情节，就是造了一部太空电梯。也有很多人说，太空电梯这个概念能不能造呢？刘慈欣有一次做节目的时候也说到了，说太空电梯的问题在于现在这个材料的性能还不够。如果我要是能造出来像《三体》里面的这种比头发丝还要细但是可以拉起一辆汽车的纳米管，（太空电梯）也许是可以的。目前，可能这个纳米管还做不了像太空电梯这么长，是吧？
杨培东：这个的确是，你说得很对。《流浪地球2》我还没看过，但是，太空电梯这个概念，是美国已经过世的一个诺贝尔奖获得者瑞克斯·马利一二十年前就已经提出来了的，说用碳纳米管做一个非常非常坚韧的一个太空电梯，能够把人类输送到月球上面去、太空上面去。这个概念是在他生前就提出来了。
这个能不能实现我不太清楚，因为这需要铸造一个非常非常没有缺陷的纳米线或者纳米管。然后，这么一个没有缺陷的纳米管或者纳米线的团体需要在太空当中存在。太空当中的条件跟地球上的条件完全不一样，温度，还有各种各样的宇宙辐射，各种各样的东西是不一样的。但是，我想，对科幻小说来说，这个东西的确是一个很好的事情。
李永乐：没错，所以他这个科幻小说是有科学道理的，一个材料，它的尺寸做得很小、做到纳米级的时候，它的很多性质，不管是机械性质还是化学性质，还是它的导电性能等等，都和我们宏观世界里的不太一样了，所以我们就可以用它来做很多有趣的东西了，对吧。
杨培东：对，的确是这样。
李永乐：好，那我还有第二个问题。我知道杨教授刚刚参加了第五届世界顶尖科学家论坛，在“碳大会”上探讨了关于碳中和技术的前沿发展还有科学途径。对很多人来说，可能前沿的科学技术原理也听不太懂，但是我们也同样关心，比如说我们关心我们的环境变化。因为科学家们经过研究发现，如果碳浓度继续升高的话温室效应会造成很可怕的生态变化，而这个生态变化有可能会导致整个生态的灭绝。所以，在这方面有哪些科学方法可以帮助我们减少碳排放，想让您从您的角度为大家介绍一下，您又开辟了一个什么样的途径去帮助减少全球的碳排放？
杨培东：是的，现在人类的确是在面临一个非常非常重大的危机。这个危机是从哪来的？应该是从过去100年当中的工业化进程当中来的。过去100年的工业化进程，全社会都进步了，大家的生活过得越来越好，大家用的能源越来越多。但是这些能源都从哪儿来的？都是从地底下来的，原油工业来的。现在全世界范围内的化学工业、能源工业，包括各种各样的运输、汽车、飞机，都需要原油工业来支持。在过去100年当中，养成了这么一个习惯。
养成了这个习惯以后，大家的生活质量的确提高了，但是给环境制造了一个太大的问题，那就是二氧化碳的排放。二氧化碳排放，在过去100年当中，已经达到了400多个PPM，从数量来说感觉挺小，但是对整个生态环境的影响已经很大了。从全球气温变暖到现在全球都可观测到的极端天气，现在我们必须要想一下，要让全人类有一个可持续性的发展，将来的能源从哪来？不让我们的环境更恶化，我觉得这个世界上可再生能源里头最大的一个可能性就是太阳能。
我们知道有太阳能电板，太阳能电板可以把太阳能转化成电，转化成电之后怎么办？得把它储存起来。白天太阳能电板发电，然后晚上能够怎么把它储存起来，需要一个成熟的体系。所以，一方面，很多国家都在研究电储存的问题，太阳能电板转化成电池的储备，这是一个技术路线。
在过去一二十年当中，我们一直在做的是另外一个技术路线——一步到位把太阳能储存到化学键里头去。所以说，我不把太阳能转换成电了，我直接把太阳能储存到一个，从化学的角度来看叫，碳碳键里头。为什么要这样做？理由很简单，因为现在全世界都在用的原油工业的这些东西，是大自然光合作用做出来的一个东西，经过几百年、几千年，或者是几百万年的时间才真正在地下产油了。地下的原油是光合作用的最终产物，但是它太慢了。所以，我们现在在做的一个事情，就是人工光合作用，用半导体纳米导线做光吸收，然后光吸收以后就有能源。怎么样把大气中的二氧化碳转化成像原油那样的东西？把二氧化碳转化成这些碳碳键连在一块的，它的能源密度就相当高了。
人工光合作用，在我看来，应该算是一个解决我们现在所面临的能源危机或者环境危机的终极解决方式。它是一步到位把太阳能转化成我们日常所要用的一切化学品，如此，我们就不用去依赖原油工业，这里头所有的碳就循环了，然后我们人类所需要的能源就从太阳能下来。这样的一个愿景是我们一直在做的东西，在10年，也许20年，也许50年内，要做到一个碳中和的社会。碳中和就是我们把过去100年的债还掉，50年以后要做到Carbon negative，就是二氧化碳真正地降下来。
这个需要把二氧化碳转化成有用的commodity chemicals，就是我们日常用的化学品。我们日常用的所有的化学品现在都是从原油工业来的。如果carbon从二氧化碳来，能源从太阳能来，这样的话我们整个社会应该算是完全进入一个carbon negative的社会。这个是我们一直在推的一个愿景，我们实验室过去一二十年一直在做的一个事情，就是用半导体怎么做光吸收，然后推出来一系列的催化剂来做二氧化碳的还原，这就是我们一直在推动的一个事情。
李永乐：我总结一下您的说法，就是，我们在自然界使用了很多的能源，因为这些能源主要是从地下的煤和石油来的，所以就产生了很多的二氧化碳，这些二氧化碳原本是自然界经过长期的演化把大气中的二氧化碳通过生物的作用还有地质作用储存起来的，结果我们一百多年就全都给挖出来了。所以现在我们面临很大的问题，一个是能源问题，一个是环境问题。
然后您想了一个办法，把这俩问题一起解决了，就是说，我们能不能用人工的方法去加速这个过程，本来自然界通过光合作用、通过食物链、通过成油的作用，经过很长的时间才能固碳，但现在我们有一个方法就是利用太阳能，把大气中的二氧化碳吸收掉，然后进行人工的光合作用变成有机物，我们也不用让它变成石油了，我们直接用这个有机物去制造，比如说塑料或者我们生活中的一些其他的化学品。
那如果您的这个设想实现了的话，以后的油田就再也不需要了，我们就可以直接利用这个技术从大气中去制造这些有机物了，我们的能源问题还有我们的碳的排放的问题就一起解决了。所以您构想了一个非常宏伟的未来。我觉得刘慈欣也可以针对这个方向再写一部小说。
杨培东：这个的确是的。我想，不远的将来，不一定是几十年内，这个油田我们不应该再去开发了，而且我们社会所需要的各种各样的化学品，我们通过人工光合作用来做这个事情，这样的话我们整个社会就有一个非常可持续性的发展。
液态阳光已迈向商业化
李永乐：其实像您说的这个方向，中国的一些科学家也在做。比如说，在2021年10月份的时候，中科院的一些科学家就用二氧化碳制作淀粉，当时是在细胞外制作的，这个新闻也引起了广泛的关注，我当时还做了一期科普视频给大家讲这过程是怎么样的。这里面提到了一个甲醇的合成路径，它需要用到的各种各样的条件以及各种各样的酶，然后通过在细胞外的方法，把阳光的能量储存在甲醇里，所以他们又管这个甲醇叫液体阳光，说你看我把阳光储存起来了。
我知道您在前几年的顶科论坛上也提到了液体阳光的重要性，您说的这个液体阳光是不是也指的是甲醇？或者说您刚才提到的这种制作方法和现在中科院的科学家们说的二氧化碳的体外合成的这种方法，它有没有什么区别？您觉得我们把这个技术用在实践当中大概还需要多长时间？
杨培东：这个很好，中科院当时做二氧化碳制淀粉，的确是一个很大的科学上的突破。他们是在细胞外制造，从二氧化碳制造淀粉。这里头的技术路径，我觉得都应该框架于所谓的人工光合作用的大体框架。所以，我认为中科院做二氧化碳到淀粉的确是一个科学界的重大突破。你刚才所说的液态阳光，液态阳光这个概念，大概是在十年前我提出来的，而且现在我已经把它注册商标了。
李永乐：借用了您这个概念是吧。
杨培东：然后，我再跟你解释一下这个液态阳光是什么意思？大概十年前我提出了这个概念以后，在过去十年当中各个国家都在用这个名字，不光光是中国，欧洲也在用这个液态（阳光），他们也启动了液态阳光计划。十多年前为什么我提出这个液态阳光计划呢？是因为十多年前我在美国跟加州理工的内特路易斯启动了人工光合作用的计划，是一个1.2亿美元的计划，大概在那个时间段，我发明了这么一个叫Liquid sunlight——液态阳光的名字。后面我就把它注册商标了，因为全世界都在用这个名字。
但是，液态阳光对我来说是一个科学的概念，这个科学概念很简单，就是把太阳能引进下来，把二氧化碳引进下来，然后把它储存在碳碳键里头，这就是一个液态阳光。我把二氧化碳转化成了液态的一个化学品。碳碳键的能源密度是很高的，这就是为什么我们人类社会过去100年一直在用汽油，因为汽油的能源密度最高，这就是我的液态阳光的来源。很简单，是太阳能到化学键能的转化。你也可以想象，太阳能电板是太阳能到电的转化，那么液态阳光就是太阳能到化学键的转化。
李永乐：那您的这个技术也是用来制造甲醇吗？或者说您最后载体是什么样的物质？
杨培东：甲醇不是终极目标。甲醇的分子式是CH3OH，它没有碳碳键，所以说甲醇不是终极目标，甲醇对我们来说就是一碳化合物，我们需要的是二碳、三碳，因为汽油是九碳、十碳，因为它的能源密度高。所以，我们的终极目标是一直要往后面推，这样的话，它的能源密度越高，然后才能支撑我们整个社会的能源需求。
李永乐：没错。
杨培东：但是，甲醇你可以把它视成为一个中间体。像中科院所说的二氧化碳转化成甲醇，我再用甲醇把它制成淀粉，所以甲醇有可能是一个好的化学中间体。这个是很多人，实际上包括我助理，包括在世界、欧洲也好，大家都在做这么样的一个东西。我们现在还没有这么一个技术一步到位把二氧化碳转化成九碳、十碳的东西，所以往往我们的技术路线是把二氧化碳转化成一碳的中间体，然后再把一碳、二碳的中间体转化成更高碳的、更富高能量的那些化学品。目前中科院做的这个内容，它还是需要很高的能耗，然后还需要很多的酶，它的操作复杂度还是很高的。
李永乐：我想问问，您觉得这项技术，就是通过阳光、通过二氧化碳变成有机物这个过程，到底在什么时候才能真正的商用化呢？我们才能利用它来替代比如我们现在的这些能源物质呢？
杨培东：具体什么时间能够商用的话，像人工制造淀粉，那个需要很多很多的不同的步骤、很多很多酶；前期要把二氧化碳转化成甲醇，那个也还没有技术路线，不是太清晰。我自己也开始了商业化的一个进程，也成立了公司来做这个事情。总体来说，就是说这个商业化进程是正在进行中，但是能不能做到大规模生产淀粉这样一类，就是说有高价值的东西，这个还需要一定的时间，但是能够做到用太阳能把二氧化碳转化成一些非常非常有用的中间体，像比如说做甲醇、乙醇、乙烯、醋酸，这个已经是在商业化进程当中。
接下来怎么用这些中间体再做成更有用的东西，那个可能还需要有一段时间。我是相当乐观的，因为现在从二氧化碳和阳光变成有机物这一条已经没有太大障碍了，只不过我们可能还需要再细化一些，而这个过程也是在现在进行时中。
在接下来的二三十年阶段内，人类应该能够用太阳能把二氧化碳转化成我们所有人类社会所有需要用的一些的化学品，取代原油工业所要做的一些东西，包括制药。这个我们实验室也做过，做生物降解的塑料、制药、做燃料、做糖、做生物降解酶，都可以，就是需要在接下来几十年当中慢慢把它商业化，我们都等待着那一天。
温馨提示：此篇为上篇。下篇《科学原创需培养更多年轻人才 | 杨培东&李永乐对话实录（下）》将于明日放送，敬请期待。
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