33岁任加州伯克利终身教授！三院院士杨培东新突破：火星移民又进一步！

电影《火星救援》中，马特·达蒙费尽心机想在火星上种土豆，反复尝试而无限绝望。火星上最主要的化学成分，一是二氧化碳，二是氮气——如果能将这两种物质，以及水和阳光等，转化为人类所需要的原材料，那么移民火星便有了依仗。

这是杨培东在《开讲啦》节目中讲的故事。从二氧化碳到乙烯、乙醇等化工原料，他想到了、讲到了、看到了，也做到了。

杨培东，中国科学技术大学本科毕业，哈佛大学就读期间师从国际顶尖化学家Charles M. Lieber，4年时间完成硕博连读，28岁时入职美国加州大学伯克利分校，33岁时升任终身教授。

杨培东 受访者供图（下同）  

他是加州大学伯克利分校化学系历史上受聘终身教授的第二位华人科学家；         
他40岁时被路透社评为10年来世界排名第一的材料科学家；

他的论文总引用超过10万次；

他陆续当选为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；         
他在2014年获汤森路透物理引文桂冠奖，2015年获麦克阿瑟天才奖、世界杰出华人奖、美国能源部劳伦斯奖，2016年受时任美国总统奥巴马邀请成为白宫前沿科学论坛并主讲嘉宾，2020年获世界能源奖……

2015年获得麦克阿瑟天才奖后，同事说杨培东是“拿了证的天才”，对此，他笑谈：所谓的天才就是开玩笑而已。

在外界看来，杨培东已经“功成名就”，其成功密码发人深省：“在科学界，工作时长并不是最重要的，重要的是怎么做出原始创新，怎么在有限的时间内最具创造力。“

如何保持科学创造力的？         
杨培东的答案是：兼容并蓄。

“我一直跟学生讲，不要局限在化学的领域里，不要只听本学院的讲座。更应该走出去，看看物理系、生物系的人在做什么，听听他们的前沿讲座，这对大家很有帮助。像我们实验室，除了化学系的学生，还有材料系、物理系、生物系、工程方面的学生，我觉得这样能有更多机会取得创新突破。我希望年轻人能把视野拓宽，将来很多大的突破、大的发现会出现在学科边缘、交叉领域中，如果把自己关在一个领域，不关心外面的事情，往往会失去机会。”          

面对失败，怎么调整自己？       

杨培东说：科研本来就是这样，既然选择了这条路，就应该接受这个现实。         
大部分的时候，idea做不出来，也可能要折腾很久，像我们最近这篇Nature论文前后经历了10年左右，这是常态。当然这也是我修炼出来的，年轻学者可能还没法接受。我经常跟学生说，大家要有耐心，不要急躁。当我们有了一个假设，自然会认为它是对的，急切地想去证明，可有时候结果往往是相反的，就得推翻重来。但这就是科学！科学的验证本来就有对有错，验证出它是错的也是一个进步，它会引导你改进实验，然后你会知道怎么提升。

如何对科研保持长期的极大热情？         
杨培东直言：热情来自于内心……如果没有一定的热情，是坚持不下去的。  
”我们终其一生可能也无法解决某个科学问题，老一辈的科学家也是这样。我们一代接着一代，不断把科学往前推进，需要有精神支撑，需要有持久的热情。“

近日，他完成了一项持续10年的研究，相关成果在Nature上发表。接受《中国科学报》专访时，他表示“我永远在想怎么做别人没想到的研究”。  

杨培东院士团队在最新一期《Nature》上以 “Operando studies reveal active Cu nanograins for CO2 electroreduction” 为题发研究论文，对铜纳米催化剂生命周期中的结构动态进行了全面研究，一个7nm的Cu纳米颗粒组合在电解过程中演变为大的金属Cu纳米颗粒，然后在暴露在空气中完全氧化为单晶Cu2O纳米立方体。作者通过多种先进的原位表征手段来对铜纳米催化剂在电化学反应条件下的价态和化学环境进行全方位的定量分析，并且提供了明确直观的实验证据来揭示铜纳米催化剂在整个CO2还原反应前后的演化过程。该文章的通讯作者为杨培东院士，第一作者为杨尧、Sheena Louisia和Sunmoon Yu。    

图 1：Cu 纳米催化剂的生命周期

“大概在10年前，我们就发现利用铜催化剂能够把二氧化碳转化为乙烯、乙醇等化工原料，选择性可以达到60%左右。由于无法揭示它的结构演化过程，2年进行了3轮修改，还是被Nature拒稿，最终转投了PNAS（《美国国家科学院院刊》简称）。这10年来，我们一直在寻求一个方法，能像拍电影一样展示出，铜纳米催化剂在二氧化碳电还原反应条件下，复杂的结构演化过程。“

在这篇Nature论文中，杨培东团队借助多种先进原位表征技术解决了演示问题，为还原过程中的高效反应活性位点来自金属铜纳米晶界提供了实验支持。

图 2：金属 Cu 纳米晶粒的 Operando 4D-STEM 衍射成像

这项伟大研究，为解决《火星救援》中近乎无解的科幻问题提供了方案。

苦苦等待一个科研课题，不如主动去追星赶月。

33岁成为终身教授，比绝大多数人快得多。怎么做到的？

”我认为选择方向很重要，站在岔路口的时候，我会有一个感觉，什么是最新的方向，我坚定地选择了它。因为往往最新的方向才会有最多的科学问题和突破。在博士期间，我和哈佛的导师开创了半导体纳米导线领域。在伯克利，我用5年时间把这个领域的研究基础奠定下来了，做出了比较大的影响力。通常从助理教授到正教授需要10年左右，我只花了一半的时间。如果问，我怎么会在年轻的时候，就能选择一个在将来有较大前途的方向呢，答案很简单：这是别人没做过的，我想去做。
做别人没做过的，想要底气，先要勇气。我基本不太想碰别人做过的东西，永远在想怎么去做别人没想到的。如果能从别人没想到的地方切入，有了一个新的想法，那就去做。这里面肯定有风险、失败，结果可能会一塌糊涂，也有可能会取得突破。但如果总跟着别人做，永远只是渐进式的改变。“

杨培东团队一直关注二氧化碳回收和再利用问题，探索催化转化的技术路径——生物催化路径和无机催化路径。在生物路径中，我们目前做的光合作用生物纳米复合体系，二氧化碳转化为特定化学品的选择性可以达到100%，太阳能到化学能的转化效率达到4%。通常大家认为无机的体系更稳定，但这是一个科学难题。

目前无机催化体系的选择性在60%左右，也就是说，转化出的乙烯、乙醇、丙醇等化工原料是混合在一起的。如果无机体系能做到100%的选择性、10%-15%的转化效率，基本上我们人类所需的能源问题会得到根本解决。

因此，我们的工作就围绕继续提高生物路径的转化效率、提高无机路径的选择性来展开。保护好创意的火种，才能让星火渐续，最终燎原。鲜为人知的是，生物催化路径的想法竟源自一次脑洞大开。

大概在十多年前，有次我去听了一个微生物方面的讲座，了解到有一类微生物可以专门用于二氧化碳的还原， 但这些微生物本身没有光合作用功能。当时我一下子想到，是不是可以将纳米导线和细菌结合在一块儿，进行人工光合作用转化。

可以说那时我每天都在想这个事情，一天一天过去了，一年一年过去了，总也没有进展。但突然有那么一天，接收到了一个外部信息，让我一下子豁然开朗起来。“脑洞大开”最终成就伟业，正是“念念不忘，必有回响”。

在科研这条路上，要付出的不仅是苦修创意、操练团队，还要调集资源。

如果你觉得这是你想去做的事，那就利用一切资源去做。当时我从政府部门拿不到基金支持，但在过去的积累中，有一些来自各界的无偿资助，这是我的“小金库”。利用这个资金，我可以分配一个学生来做这个方向。结果像是一场“赌博”，很可能是失败的。当然后来我们做出了一些东西，发了两三篇比较重要的文章，到后面大家就逐渐认可了，各种资源也跟进了。如果没有任何资金储备，就只能等待时机。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05540-0