光合作用▲助推火星移民计划，杨培东的“人工光合作用”系统进入2.0版，将二氧化碳变废为宝指日可待
如果人类在未来进行“星际移民” ， 那么火星毫无疑问将是第一目标 。 硅谷“钢铁侠”埃隆·马斯克就一直有着“殖民火星”的目标 ， 并计划在火星上建立一座可自我维持的城市 。
但人类生活所需的各种物资 ， 从氧气、燃料到食品、药物 ， 全部依靠火箭从地球运输并不现实；即便 SpaceX 的火箭运载能力在不断提高 。 不过 ， 加州大学伯克利分校的杨培东教授有一项更为长远又简单易行的计划 ， 或将帮助“火星移民计划”早日实现 。
在过去近十年的时间里 ， 杨培东实验室的科研人员一直在研究一个将微生物与非生物材料相结合的“循环系统” 。 该系统可以通过吸收太阳能 ， 将二氧化碳和水转化为有机分子的基本成分——这也被人们称之为“人工光合作用” 。 在 2015 年 ， 杨培东实验室成功研发出第一代“人工光合作用”系统 ， 而就在近日 ， 他们推出了更为优秀的“2.0 版本” 。
根据杨培东的介绍 ， 该系统中硅纳米线在本质上类似天线——它们像太阳能电池板一样捕获太阳光子 。 随后这些硅纳米线会产生电子 ， 并将其提供给附着的微生物 。 最后 ， 微生物吸收二氧化碳 ， 进行化学反应 ， 并产出乙酸盐 。
关于该研究的论文发表在 3 月 31 日的 Joule 杂志上 ， 杨培东的“人工光合作用系统 2.0 版”创造了一个新的转化效率纪录：在长达一周的时间里 ， 实现高达 3.6% 的吸收太阳能转化效率 ， 完成由太阳能到化学能的转换 ， 并最终以乙酸盐的形式储存起来 。 此外 ， 还能产生出氧气 。
杨培东教授就此事接受了专访 ， 以进一步了解该研究背后的故事 ， 以及他的未来计划等 。
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图 | “人工光合作用系统 2.0 版”：从空气中捕获二氧化碳并将其转化为实用的有机物的装置；左侧是装有微生物与纳米线内结合系统的空间 ， 这里会将二氧化碳转化为乙酸盐 ， 右侧则是产生氧气的空间（来源：杨培东/UC Berkeley）
如大自然一般的“动态循环系统”
【光合作用▲助推火星移民计划，杨培东的“人工光合作用”系统进入2.0版，将二氧化碳变废为宝指日可待】“火星大气的 96% 都是二氧化碳 。 ”杨培东说 ， “而我们的系统通过硅半导体纳米线来吸收太阳能 ， 并将其传递给纳米线上的微生物来进行化学反应 。 ”
对于太空任务来说 ， 人们需要考虑有效载荷的重量问题 ， 而生物系统的优势则在于“它们可以自我复制” 。 这样人们就不必依靠火箭来发射更多的东西 ， 因此这也正是该“生物/非生物结合系统”吸引人的优势所在 。 即便不考虑星际移民 ， 它在地球上也可以帮助解决能源短缺及二氧化碳排放导致的全球变暖等问题 。
“除了阳光之外 ， 我们的人工光合作用系统只需要另一种物质——水 。 ”杨培东说 ， “而火星上的极地冰盖相对丰富 ， 星球上大部分地区的地下都很可能冻结着大量的水 。 ”同样 ， 我们的地球也有百分之七十以上是被海水所覆盖的 。
他实验室设计的“人工光合作用”系统将硅半导体纳米线与可以利用自身酶将二氧化碳转化成特定多碳产物的微生物相结合 ， 从而实现从太阳能到化学能的转变过程 。 在 2015 年该系统首次问世时 ， 便引起了广泛关注 。 但在那时 ， 其转化效率相对较低 ， 只有 0.4% 。
“第一代主要是从概念上证明了我们的设计是可行的 。 ”杨培东表示 。 随后在过去的近 5 年时间里 ， 他们不断地对其优化 ， 直到提高到了如今的 3.6%——而这已接近自然界中将二氧化碳转化为糖等物质的“冠军”甘蔗的转化效率 ， 4%~5% 。 “我们为此花费了很多心思 ， 大概经历了 3、4 波研究生 。 ”
因为微生物会有存活时间的问题 ， 对此 DeepTech 向杨培东询问了该系统的稳定性和持续性 ， 他解释道：“微生物的自我复制能力很强 ， 也很频繁 。 作为转换的催化剂 ， 用一段时间后就会死掉一批 ， 但之后第二批又会生成了 。 它会有一个自我再生的过程 ， 所以该系统的持久性是没有问题的 。 ”
此外 ， 他还表示：实验室所做的内容都是将其当做一个“静态”的系统（Batch Reactor）来进行各种研发与测试 ， 但实际上 ， 其最终的应用形态会是像大自然中的植物一样 ， 周而复始地形成一个“动态循环”（Flow Reactor） 。
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图 | 微生物-纳米线结合系统的扫描电镜图像：在最佳的 pH 值环境下 ， 微生物会紧紧地包裹住纳米线；这种紧密堆积会使太阳能更为有效地转化为碳键（来源：杨培东）
作为“人工光合作用”系统的 2.0 版 ， 杨培东的实验室主要针对微生物与纳米线电极之间的界面进行了研究和优化 。
研究人员最初尝试在纳米线上填充更多的微生物来提高效率 ， 而当电子通过纳米线直接转移给微生物以进行化学反应时 ， 微生物会从纳米线上脱落 ， 从而破坏了电路 。 经过反复实验 ， 他们发现这些微生物在产生乙酸的过程中降低了周围水的酸度 ， 因此导致了它们与纳米线分离 。
杨培东和他的学生们最终找到一种方法 ， 可以控制环境中水的酸度 ， 从而抵消了持续产生乙酸带来的 pH 值上升的影响 。 这让他们可以将数量更多的微生物投入到纳米线之中 ， 把转换效率提高了近 10 倍 。 在不后续补充微生物的情况下 ， 该系统可以稳定高效地进行一周的二氧化碳还原反应 。
在太阳光持续照射下 ， “人工光合作用系统 2.0 版”在一周内平均的“太阳能转乙酸”的能量转化效率达到了 3.6%；同时 ， 这一周中每天的乙酸产量也可以达到 44.3 g/m2 （或 0.3 g/L） 。 此外 ， 他们用同位素标记法确认了碳元素的反应轨迹 ， 并用黑暗对照实验证明：光能是二氧化碳转化的唯一能量来源 。
【光合作用▲助推火星移民计划，杨培东的“人工光合作用”系统进入2.0版，将二氧化碳变废为宝指日可待】而生成的乙酸盐分子可以作为一系列有机分子的组成部分 ， 包括燃料、塑料和药物等 。 同时 ， 许多其他有机产品也可以由转基因生物体内的乙酸盐制成 ， 比如细菌或酵母 。 此外 ， 杨培东的实验室也正在研究利用太阳能和二氧化碳来生产糖与碳水化合物的系统 ， 这可能将进一步解决星际移民的食物问题 。
氧气则是一个附带的好处 ， 这或许可以给人类在火星上营造一个模拟地球 21％ 的氧气环境提供帮助 。
“总而言之 ， 该系统中硅纳米线在本质上类似天线——它们像太阳能电池板一样捕获太阳光子 。 随后这些硅纳米线会产生电子 ， 并将其提供给附着的微生物 。 最后 ， 微生物吸收二氧化碳 ， 进行化学反应 ， 并产出乙酸盐 。 ”杨培东说 。
科研重在“原创” ， 成果来自积累
“人工光合系统”得以发展至今 ， 并取得如此引人瞩目的成果 ， 这得益于杨培东多年来在多个领域知识的积累 ， 以及其富有“原创性”的设计思维 。
作为纳米导线领域的开创者 ， 杨培东早在 25 年前于哈佛大学攻读博士学位时 ， 就和自己的导师——美国三院院士、哈佛大学纳米科学家 Charles Lieber 一起 ， 开发出一种有着独特性质的半导体纳米线 。 这是一种极细的硅线 ， 直径仅为人类头发丝的百分之一 ， 其可以用于将热能、光能转换为电能 ， 或者作为电子元件用于传感器和太阳能电池等领域 。 其应用广泛 ， 潜力十分巨大 。
在 2001 年 ， 半导体纳米线电子器件被《科学》杂志评选为十大突破性进展 。 此外 ， 该技术在 2004 年也被《麻省理工科技评论》评为“影响未来的十大突破性技术”之一 。 2006 年 ， 《自然》杂志将半导体纳米线研究列为物理学的十大研究热点之一 。
该研究成果也让杨培东一举成为世界顶尖的材料科学家 。 在 2011 年汤森路透（Thomson Reuters）公布了 21 世纪首个十年的全球材料科学家与化学家“Top 100”的数据 ， 并根据他们各种发表的研究成果的影响力进行排名 。 杨培东在材料科学家榜单中排名第一 ， 并在化学家榜单中位居前 10（影响力第一的化学家正是他的导师 Charles Lieber） 。
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图 | 汤森路透的“全球百强材料科学家”榜单截图（来源：ScienceWatch）
在研发出纳米导线之后 ， 杨培东来到了加州大学伯克利分校 ， 开始着手进行纳米导线的光子学 ， 以及纳米导线的太阳能电池相关研究 。 而随着诸如基因工程、生物传感器、生物燃料电池等领域的发展 ， 生物和非生物结合的混合性功能材料得到了广泛关注 。 随后 ， 科研界将目光投入到利用微生物来实现高效的水相二氧化碳还原上 。
到 2010 年前后 ， 杨培东开始了基于微生物与非生物材料界面的“人工光合作用”的相关研究 。 由于在半导体纳米线上的开创优势 ， 加之他在化学、微生物学等领域的不断学习及深度投入 ， 杨培东实验室在人工光合作用领域的研究一直处于世界领先地位 。
“这是一个比较‘小众’的领域 。 ”杨培东说 ， “因为它要求的学科跨度比较大 ， 对科研条件和技术积累的要求比较高 。 不是很多实验室都能做到这一步 。 ”
但是“小众”并不意味着该领域研究的重要性不够 。 2018 年 9 月 ， NASA 发布一项针对太空的“二氧化碳转化挑战赛”：提供 100 万美元的奖金 ， 希望参与者能找到二氧化碳转化的新方法 ， 将其转化为葡萄糖等有用化合物 。 NASA 会奖励 5 支队伍 ， 每支队伍可获得 5 万美元 ， 结果在 2019 年 4 月公布 。 之后 ， 选出的队伍将进入第二阶段——构建转换系统并进行展示 。 第二阶段的奖金高达 75 万美元 。
不出所料 ， 杨培东实验室的研究团队成功进入第一阶段的“最终 5 强” 。 “目前我们正在进行该挑战的第二阶段 。 ”他补充道 ， “但是 ， NASA 的挑战和我们这儿谈的人工光合作用系统并不相同 。 其方向是无机催化剂 ， 而我们这儿谈的人工光合作用系统采用的是生物催化剂 。 我实验室的另外几名学生在做无机催化方向 。 ”
杨培东的实验室规模很大 ， 目前毕业及在读的博士生和博士后研究员已有 150 人左右 。 “差不多有一半是中国学生 ， 剩下以美国和韩国学生居多 。 ”他说道 。
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图 | 杨培东和他的学生们（来源：杨培东）
对于研究的态度 ，杨培东表示一定要有“原创性” ， 不要随波逐流 ， 一味去追求“科研潮流”是不可取的 。
由于 2020 年中国教育部发文打破了国内高校“唯 SCI 论”的体系 ， 对此 ， 杨培东认为 ， “发表文章不能只追求指数 ， 这是正常的态度 ， 应该让科研人员静下心来做科研 ， 所以这个决定是对的 。 ”他表示 ， 以材料领域为例 ， 科研也是有“潮流风向”的 。
“比如我开始所在的半导体纳米线材料 ， 之后就是石墨烯 ， 以及其他二维材料等 。 ”他说 ， “研究方向有热度不假 ， 但科研人员不能一味跟风 ， 要明白他在该领域的原创贡献是什么 。 比方说 ， 你见到一个科研学者 ， 30 秒内你不能反应出来他的代表性工作是什么 ， 那就说明有问题了 。 ”
因此 ， “破除 SCI 至上”是正确的 。 但同时一定要强调 ， “每个人必须要有原创的代表性工作” 。 此外 ， 对于年轻的科研人员来说 ， 每个人都有他的机会 ， 找准方向、坚持下去总能够出头 。 “就怕很多年轻人都随波逐流 ， 只去搞些流行的东西 。 那样自然就没有出头的那一天 。 ”杨培东说 。
对于下一步的计划 ， 杨培东表示他的实验室会继续寻找提高转化效率的方法 。 同时 ， 也会去探索基因工程技术 ， 使微生物变得更加“多才多艺” ， 能够产生多种有机化合物 。
而有关实际应用问题 ， 他表示：“这个研究方向是无止境的 。 当然 ， 人们总想知道什么时候能见到一些实际应用 。 宏大的设想在未来十到二十年内 ， 可能得以实现 。 ”
作者：杨大可编辑：张鹏责任编辑：姜澎 顾军
来源：《DeepTech深科技》微信公众号
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