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诺奖候选者、华人之光杨培东：让CO2变糖，变汽油，变药品...！

来源：时间：2023-12-06 15:33:17 浏览：3739次

杨培东，纳米材料学家，美国麦克阿瑟天才奖获得者，美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士，中国科学院外籍院士，加州大学伯克利分校化学系S.K.和Angela Chan杰出能源教授和化学教授，上海科技大学物质科学与技术学院院长。

作为纳米材料领域的顶级科学家，杨培东院士主要研究内容为一维半导体纳米结构及其在纳米光学和能量转化中的应用，包括人工光合作用、纳米线电池、纳米线光子学、纳米线基太阳电池、纳米线热电学、碳纳米管纳米流体、低维纳米结构组装、新兴材料和纳米结构合成和操控等。他也据此奠定了合成纳米线的基础化学，开辟了具有重大科学影响的材料研究领域。

迄今为止，杨培东院士在包括Nature、Science、Nat. Nanotechnol.、Nat. Mater.、Nat. Comm.、Nat. Catal.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等顶级学术期刊上发表SCI论文490余篇，总引用量高达18万余次，H因子205，篇均被引用次数超过370次，且被应邀作大会/特邀报告超过300次，拥有专利40余项。目前，杨培东院士担任化学领域顶级期刊J. Am. Chem. Soc.的副主编，并担任多个国际期刊编委。

图1 谷歌学术检索杨培东院士学术成果信息

曾为诺奖候选人的杨培东院士在学术领域的造诣自然是无需多提，相比于解决常见的科学问题，他的目光更加长远。他的心里不光装着祖国，更装着人类的未来，他希望有朝一日自己能解决全球气候变暖问题，希望自己的研究成果能为未来地球的星际生活提供能源和食物！这就是顶尖科学家的觉悟与人生格局！

本期，小GO就带领大家走进让能CO2变成糖、汽油甚至是药品的杨培东院士！

少年乘风起

1971年8月，杨培东出生在江苏省苏州市相城区元和街道蠡口社区。父亲是医生，母亲是幼儿园老师，父母打小就特别注重对杨培东的教育。

尤其是父亲，在杨培东小学的时候就开始鼓励他多读课外书籍，甚至常年给他订阅时比较热门的《少年报》和《少年文艺》等杂志，也经常拿少儿读物作为杨培东的礼物。在家庭氛围的熏陶下，杨培东小学和初中的成绩都十分出众。

1985年，杨培东从江苏省首批示范初中蠡口中学考入江苏省木渎高级中学。进入高中的杨培东继续维系了他“学神”的名号，各科成绩常年在年级里名列前茅！

图2 江苏省木渎高级中学

然而，杨培东也有苦恼，那就是体育。

虽然各科成绩都十分拔尖，但自小就身材瘦小的杨培东，体质很差。而国家当时对考大学的学生是有体育标准的，只有达到国家制定的体育标准，才能够考大学，这对杨培东来说简直难如登天！

为了达到体育考核标准，杨培东经常主动找到体育老师学习技巧，并且一有机会就自己锻炼，上体育课时，他总是要求比别人练习更高的难度，后来终于顺利达到了标准！

1988年夏天，眼瞅着就要高考了，正在全力备考的杨培东突然得了急性阑尾炎。父母和老师都劝他休息养病，他却这样回答：“没关系，我可以躺在病床上复习”。

正是这股冲劲，杨培东高考时取得了601分的高分，位居全校第一。这个成绩在当时可以轻松报考清华大学，但杨培东有自己的想法，他觉得当时的清华更偏向于工程技术方面，而他更想搞科学研究。最终，杨培东报考了中国科学技术大学应用化学系，并被顺利录取！后来杨培东高中的班主任孙镇荣回忆说：“考上清华大学，是绝大多数莘莘学子做梦都想的，但杨培东他的想法就是和别人不一样，他钻劲十足，做的又是自己感兴趣的事情，成功是情理之中的”。

图3 青年杨培东

1992年，还在校期间的杨培东获得中国科学技术大学郭沫若奖学金，以奖励他在中国科学技术大学的优异表现，随后顺利取得中国科学技术大学学士学位。

1993年夏天，22岁的杨培东走出合肥来到美国波士顿，开始了4年哈佛之旅。杨培东攻读的是化学博士学位，师从著名材料科学家Charles M. Lieber。

在哈佛的那一段时间也是杨培东真正意义上科研生涯的开端。第一年的时候，他的科研项目开展得并不顺利，作为留学生来说，就需要担心接下来做什么来完成他的博士学位。当时摆在杨培东跟导师之间就两个选择：一个是可以随大流，第二个是冒险做新领域。

当时的学术界，大部分人都在做一种叫做碳纳米管的材料，十分热门，但杨培东决定发扬一下革命的冒险精神，他首次引进了半导体纳米导线这个概念，并一举获得了成功。凭借相关成果，杨培东于1997年成功取得哈佛大学化学系博士学位！

当时的美国化学界有个规矩，学生毕业后一般不直接留校做教授搞研究，而必须先去其他大学或研究机构磨练，以此防止学术上的近亲繁殖和裙带关系，也可促使毕业生拓展视野、帮助学校吸纳各方精英。因此，告别哈佛之后，杨培东在导师的引荐下来到加利福尼亚大学圣芭芭拉分校从事博士后研究，合作导师为Galen Dean Stucky。

在圣芭芭拉分校，杨培东仅仅用18个月就完成了博士后研究，并获得近10所大学的工作邀请。1999年，28岁的杨培东选择加入加利福尼亚大学伯克利分校化学系，成为助理教授，独立负责一个实验室的科研工作。

图4 加利福尼亚大学伯克利分校外景

尽管博士后工作只持续了18个月，但这一经历对于杨培东的职业发展至关重要。他说：“在圣芭芭拉，我是个博士后研究员，有充分的研究自由。我可以形成我个人的想法，然后把它们转化为现实。在某种程度上，这是我发展独立研究技能的阶段，这一步非常重要，因为接下来，我在伯克利一开始就是做独立研究”。

正是在这里，杨培东从一个默默无名的学术新人逐渐成长为后来纳米领域名振全球的顶级科学家；也正是在这里，这个从江苏省苏州市走出的瘦弱小伙子逐渐成长为学术界的“巨人”！

青云直上的材料科学家

身为助理教授，杨培东在伯克利分校拥有一个由20名学生组成的研究组，而这，就是他“梦开始的地方”！

2001年6月，杨培东带领的研究小组在国际最顶级的学术期刊Science上发表论文，称在只及人类头发丝千分之一的纳米导线上制造出了世界上最小的激光器——纳米激光器，这一发明将有可能用于未来的光子计算机。论文一举登上Science期刊的封面，也正是这篇论文，几乎奠定了杨培东在纳米研究领域的地位。

图5 杨培东团队发表在Science期刊上论文的标题及摘要

也就从这一年起，杨培东连续四年获得美国阿尔弗雷德·斯隆奖！

2002年2月，杨培东团队又在美国Nano Communications期刊上发文称，他们已成功地找到一种制造“多层结构”纳米线的方法，能够使硅和锗这两种不同的材料交织组成单根纳米线。这些线的尺度在纳米水平，最细的达到20纳米。

2003年，国际顶级期刊Nature刊登了杨培东团队发表的单晶体氮化镓纳米管论文，这种纳米管耐久、性质一致，有优良的光电性能，并且率先实现了二维半导体接口向一维的转换。而由此产生巨大的应用潜力，使其未来在计算机器件、光电器件、化学和生物传感器等领域，都将“占有很大的一席之地”。同年，杨培东被美国MIT Technology Review期刊列入“世界100位顶尖青年发明家”。

接踵而至的突破性成果也获得了业界的认可！

2004年，杨培东受聘为加州大学伯克利分校化学系终身教授，是伯克利化学系历史上，继李远哲后的第二位华人科学家，同年又获得美国材料学会（MRS）青年科学家大奖！

2005年，杨培东获得美国化学学会纯粹化学奖（ACS Award in Pure Chemistry），以表彰杨培东在化学领域做出的杰出贡献。也就是在这一年，杨培东团队再做突破，和合作伙伴Majumdar等人研发出世界第一个液体纳米晶体管，这将成为未来生化处理器的奠基性技术。

无怪乎两年后的2007年，Science期刊以“Rapid Rise”（青云直上）为题报道了杨培东：文章引用科学信息研究所的统计数据说，以1995年至2005年论文引用次数而言，杨培东名列最顶尖的10名材料科学家之列，他的论文平均引用次数超过100次，几乎是仅居其次的科学家引用数的两倍。

此外，杨培东在2007年还获得了美国全国科学基金会“艾伦·沃特曼奖”，而这也被视为杨培东科研生涯成功的标志之一。评委会这样评价杨培东及其研究成果：杨培东在纳米线、原子组装等方面进行了“开创性研究”，这些研究有望应用于一系列高技术设备，如计算机电路、新型太阳能电池板以及生物传感器等，意义重大。

2010年，杨培东研究团队作为领导成员之一，参与美国能源部一项投入达1.22亿美元的“人工光合作用”环保新能源技术研究计划。美国能源部称，该计划将极大促进这项“革命性”能源技术的开发。

2011年2月，世界一流的企业及专业情报信息提供商汤森路透发布了2000-2010年“全球顶尖一百化学家榜单”和“全球顶尖一百材料科学家”榜单，榜单依据过去十年中所发表研究论文的影响因子而确定，含金量十足！其中，杨培东在“全球顶尖一百化学家榜单”中排名第10，而在“全球顶尖一百材料科学家”榜单中排名第1！

图6 全球顶尖一百材料科学家华人榜单

从初生牛犊到“青云直上”，再到排名第1的材料科学家，不惑之年的杨培东凭借的是一股冲劲和韧劲，而这些荣誉也好、奖励也罢，在他心里都只是他前进路上小小的风景，他对科学研究的热情似乎才开始真正的起步！

让CO₂变糖、变汽油、变药品

2012年4月18日，美国艺术与科学院公布了2012新增院士名单，杨培东凭借自己在化学和纳米材料领域的突出贡献，成功当选为美国艺术与科学院院士。同年10月，在匹兹堡召开的材料科技会议上获得爱德华·奥尔顿奖（Edward Orton）。一起获奖的还有中科院外籍院士王中林，王中林何许人也？他是中国科学院北京纳米能源与系统研究所创始所长、现任所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院院长，纳米发电机之父，华人最高H因子！（详见本公众号推文：传奇院士王中林：纳米发电机之父，华人最高H因子！）

2013年8月，杨培东入选2013年度中国科学院“海外评审专家”。“中国科学院海外评审专家”会参与中科院科技发展战略与规划制定、重大科技立项、高层次人才评审、科研机构评估、重要奖励评定等方面咨询和评议等工作，有利于充分发挥海外高端人才引领示范作用。

图7 杨培东获中国科学院“海外评审专家”

2014年4月，杨培东创立上海科技大学物质科学与技术学院，他担任首届院长。4月17日，杨培东团队发文公布了一项划时代（Game-Changing）的科研成果：他的团队在人工光合作用方面的研究有望解决由二氧化碳（CO2）引起的全球气候变暖这一科学难题。而这，或许才是他最想做的事！

2014年9月，汤森路透公司发布2014年度引文桂冠奖获奖名单，加州大学伯克利分校杨培东令人瞩目的出现在该名单上。汤森路透引文桂冠奖是由汤森路透公司推出的一项通过数据定量分析得出的学术奖项，旨在表彰最有影响力的研究人员。该奖项自2002年开始评选，每年一次，截止到2014年，汤森路透已成功预测了35位诺贝尔奖得主，素有“诺奖风向标”之称，可见分量之重。

2015年9月，美国麦克阿瑟“天才奖”揭晓，杨培东出现在名单中。麦克阿瑟“天才奖”是美国最大的私人基金会之一麦克阿瑟基金会（John D. and Catherine T. MacArthur Foundation）于1981年发起，授奖范围横跨科学、文学、艺术等多个领域。每年麦克阿瑟基金会遴选20-40位来自不同领域、具有杰出创造力的人士，授予他们这一奖项，该奖项也被视为美国跨领域最高奖项之一。

在接受采访时，杨培东这样说道：“这是对我们过去10来年在半导体纳米导线方面研究的认可，对我们现在正在做的人工光合作用是一个非常大的促进，鼓励我们继续利用半导体纳米导线在人工光合作用方面做出更多的贡献”。

但杨培东却不满足于此，因为杨培东的目光不只在地球，而是放到了更遥远的火星，杨培东认为这种独立的光合作用系统也许将在火星移民里面发挥巨大的作用。

杨培东的构想是通过人工光合作用来达到改善火星的环境的计划，火星上95%都是CO2，所以在火星上进行转化CO2反而比地球上面做容易的多，原料更充足。如果能在火星上进行人工光合作用，就可以在火星上实行CO2的转化，利用人工光合作用可以生产燃料、化学品，可以改善火星的生存环境，使火星的环境不在恶劣，适合人类生存，从而达到人类移民火星的目的。

图8 CO2转化为燃料

说做就做，杨培东团队构建了一套由纳米线和细菌组成的共同系统。该系统可捕捉到尚未进入空气中的CO2。这一进程仿照自然界的光合效果。在近似自然阳光照射200小时的环境下，该系统完成的太阳能转化率为0.38%，这与自然界（光合效果）叶子的转化率相同。

2021年9月，杨培东带领的SSwEET团队（Space-Sugar with Electrochemical Energy Technology）利用CO2制糖，有望通过将其喂给微生物，使得太空探索者或行星定居者可以生物制造有机分子，如食物、生物塑料和药品。该成果成功斩获美国国家航空航天局（NASA）举办的CO2转化大赛最高奖。

图9 SSwEET团队主要成员

如今，杨培东已经和美国宇航局深入合作，尝试把火星上的CO2和N2转化为人类所需求的化学品和燃料。也许在不远的未来，他带领团队设计的人工光合作用系统会大放异彩，火星也会成为人类的后花园！

华人之光

值得一提的是，2016年5月，杨培东又当选为美国科学院院士，但他好像显得很平静。

杨培东常说：科学是从0到100的旅程。0到1是产生新知识的过程，这是每一个细分领域里根本性的工作，将会被作为基础知识写进教科书。1到99是不断优化的过程，大量的科研工作者发力于此，凭借基础性理论，让大量成果生根发芽。99到100过程中，科研转化为生产力，将切实改变人们的生活。杨培东始终推崇思想家爱默生的一句话：“不要去走别人走的老路，要在还没有路的地方，给别人蹚出一条道来”。

虽然人在美国，但杨培东一直心系故土，关心中国的科技发展。

2006年，杨培东被聘为清华大学化学系教育部第七批长江学者奖励计划特聘教授；2008年，参与筹建了中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，出任研究所客座教授并负责组建领导一个国际合作实验室；2011年，曾为中国科技大学培东实验基地、培东实验班揭牌；2014年，出任上海科技大学物质科学与技术学院院长后，为中国培养了很多的青年才俊；2016年，牵头将纳米能源材料研究所暨天际创新中心落户苏州工业园区……

图10 杨培东在苏州纳米能源材料研究所暨天际创新中心落户仪式上致辞

2020 年 9 月 8 日，根据国际能源奖委员会会议的结果，确定了2020 年全球能源奖获得者名单，美籍华人杨培东获得“非常规能源奖”！全球能源奖每年评选一次，以表彰那些影响地球生命并提供解决能源挑战的技术的杰出研究。从 2019 年开始，该奖项分为三类：“传统能源”、“非常规能源”和“新能源使用方式”。杨培东的获奖理由是：开创性纳米颗粒太阳能电池和人工光合作用。

图11 全球能源奖颁奖典礼

2021年11月18日，中国科学院公布了“2021年中国科学院院士增选当选院士名单”。根据《中国科学院院士章程》《中国科学院院士增选工作实施细则》《中国科学院外籍院士选举办法》等规定，2021年中国科学院选举产生了65名中国科学院院士和25名中国科学院外籍院士。其中，美籍华人学者、加州大学伯克利分校杨培东当选中国科学院外籍院士。

三院院士、身在美国心在祖国、全力攻克全球气候变暖难题、心系人类的未来……杨培东是顶级的材料科学家，更是伟大的材料科学家，他是当之无愧的华人之光！

▶结语

谁也没想到从江苏省相城区走出的一个瘦弱少年，有一天会屹立在世界之巅；谁也没想到那个弃清华选中科大的倔强小伙子，有一天会名震海外。于他而言，成功似乎不是偶然而是必然，他的坚韧、冲劲，他的勤奋、刻苦，他的想法、格局，都远超常人。他告诉我们，人生路上要敢闯敢冲，大毅力方成大事业，他就是杨培东，心系故土的华人之光！

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