陈曦 美国哥伦比亚大学终身教授

陈曦:纳米材料重造世界

造就 TALK · 2019-03-11 · 11:22:50

陈曦:纳米材料重造世界


陈曦

哥伦比亚大学教授/美国总统奖获得者

面对全球环境和能源危机的一系列问题,材料力学家陈曦提出了“负排放”和“变废为宝”的思路。

13岁的少年大学生,20出头的哈佛博士,35岁已是力学界的新一代领军人物之一。如今,陈曦的梦想是打造中国的“贝尔实验室”,打通科研与产业之间的壁垒,用颠覆性的创新来探索世界和改变未来。

演讲全文

大家好,我叫陈曦,我是美国哥伦比亚大学的终身教授。

近年来我主要从事两件事情,一是用简单的故事来探索复杂的世界,二是用新技术创造和改变未来。
我们为什么要创造和改变未来?我先从一个简单例子开始,对于我们人类和我们地球来说,一场危机可能正在开始,而这个危机就是二氧化碳。

这幅图是从工业革命到现在为止,二氧化碳在大气当中上升的曲线,它是一个指数上升的形势,实际的曲线比这张草图要来得更猛烈些。
现今我们大气当中的二氧化碳浓度是400ppm,在五年之内将达到450ppm。
450ppm是什么概念呢?二氧化碳是酸性气体,当它的浓度达到450ppm时,二氧化碳的浓度可以使得海水酸化,酸化程度足以溶化珊瑚礁。珊瑚礁是一切海洋生态链的基础,如果被破坏将导致整个海洋生物链的崩溃。
而这个趋势是不可逆的。人类到达450ppm这跟红线,在五年之内是必然事情。
但是我们如果能够通过科技力量做一点事情,把二氧化碳直接从大气当捕捉回来,将它永久的捕集和储存起来,就能二氧化碳降到比较安全的水准上,这就是我现在正在做的事情:负排放。

我们正在沙漠这种广阔的渺无人烟的地方来布置纳米材料。纳米材料虽然看上去很小,但能够非常高效并低耗能地捕集二氧化碳,它的效率远远高于目前任何一种科技。
从大气当中捕集二氧化碳的道理非常简单。二氧化碳是一种酸性气体,遇到水以后变成碳酸,拿任何一种碱溶液,比如氢氧化钠,氢氧化钠和碳酸发生反应就变成碳酸钙。
可是问题是,从400ppm到450ppm,我们有多少二氧化碳需要捕集?答案是2400亿吨二氧化碳。

如果你要用这种方式来捕集二氧化碳的话,将需要上万亿吨的氢氧化钠,而要处理上万亿吨的碳酸钠不可能的。

要是想捕集二氧化碳之后使之成为一个可持续的过程,你必须要把碱,也就是氢氧化钠给还原回来;但能量守则之一就是能量从高到低,这样的化学反应,酸碱中和成一个中性的反应,能量必定是下降的。

怎么可能实现一个倒过来的过程,我们有没有可能使得能量从低往高走,或者看上去能量从低往高走,使得我们在捕集了二氧化碳之后还能够把氢氧化钠或者其他的碱给还原回来,使其能够重新吸收二氧化碳。
这好像看上去是个不可能的任务,但是我们可以从纳米材料上获得灵感。

纳米材料,其实“造就”这个Logo在我看来是纳米材料的抽象形式。纳米材料是由分子团组成的很小的结构,它其实有两大性质:
第一,它能提供非常小的空间,类似碳60这样的结构,它能够在这个结构里面只容纳几个分子;
第二,这个纳米材料提供了非常大的表面积。每一克的纳米材料表面积可以达到1000平方米以上。我只需要一克的纳米材料,把它里面的表面展开,就能覆盖整个今天的演讲厅。
很多人对纳米材料有一个误区:认为它一定是非常昂贵的,很难被大规模运用。但是,在自然界当中存在的纳米材料,比如说像硅土或者沸石这样的材料,成本是多少呢?50元一吨。

通过这样纳米材料的这个介质,它可以改变两件事情。第一,打破传统的能量守则,使得部分反应可以看上去是从低能量到高能量;第二,它可以是丰富几种能源、几种能量之间的转换过程。
我的很多科研灵感都源于对世界的探索。要了解或者改造一个复杂世界,必须尽可能用简单的故事来了解这个世界,并且把这个故事推演到未来。
举个例子,很多的水果、蔬菜,都是一个瓣状的结构,而且都是十瓣。

在一千多年前,宋代就有诗人注意到丝瓜是十瓣;达尔文认为,这样的图案一定是和遗传基因相关,与复杂的分子生物学、生物化学相关。
但我认为,如果一个事物有简单的表象,那么它可能不需要复杂的故事来实现简单的表现,当大自然创造一切的时候,有一部分的机理无需都要回到生物分子层次。
所以我提出:很多蔬菜、水果,因受到日光照射以及其他养分吸收,表皮生长会比里面的果瓤要快,而皮和瓤始终是要黏结在一起的,为了使得整个水果、蔬菜能够适应更多表皮面积,表皮必须产生皱褶。
这就是一个纯物理学的问题,我可以用简单的物理学模型来解释为什么南瓜有十瓣,为什么人老了会起皱纹;以及起多少皱纹,怎么样能够消除皱纹,怎么样能够防止皱纹产生。并把这个现象推广到很多的动物、植物甚至细胞上。

因为这项发现,2008年我被布什总统在白宫授予了美国青年科学家总统奖,这是美国政府给青年科学家的最高奖励,迄今为止我也是国际力学界华人学者中唯一的获奖者。
这项发现背后的意义是:能够用很简单的故事解释一个看上去很复杂现象,使得更多的青少年有兴趣来投身于科学当中。
我13岁上了大学,20岁出头从哈佛获得博士学位,35岁已经获得了世界上本领域几乎所有的青年科学家大奖。
在这之后,我一直在考虑,我能为这个社会、为世界做些什么?我希望不仅仅是去发几篇文章或者灌水文章,而希望能够真正的造福人类,能够打造一个新的平台,让科学家共同的梦想在这个平台上实现。

所以在近年来,我一直在致力于一件事情,就是三位一体。
我认为当前的科研模式,无论是在中国还是在美国,都是有它的缺陷:大学、企业、政府各自为政。我希望能够把基础科研、应用科研、产业化捏在一起,我的理想是:打造中国的贝尔实验室。
在这个过程中也很有幸获得了中国几个最著名的天使投资人的支持。
我希望能够扎扎实实的把它的每一步都做好,能够探索出一个全新的模式来,在历史上留下一个小的脚印,等我有一天老了,不会后悔自己做过这样的尝试。
谢谢大家!

本文由造就独家出品,其他媒体禁止转载。

11:39
胡晏荧 美女陶瓷制作人

胡晏荧:成为真正的自己

2019-03-11
08:07
林俊廷 新媒体艺术家

重构《富春山居图》

2018-02-09
10:00
何樵暐 Digital Medicine Lab创始人

何樵暐:人与人的沟通是一场缓慢、错误的表白

2019-04-24

造就评论0

造就  发现创造力