如果人類在未來進行“星際移民”，那麼火星毫無疑問將是第一目標。硅谷“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克就一直有著“殖民火星”的目標，並計劃在火星上建立一座可自我維持的城市。
但人類生活所需的各種物資，從氧氣、燃料到食品、藥物，全部依靠火箭從地球運輸並不現實；即便 SpaceX 的火箭運載能力在不斷提高。不過，加州大學伯克利分校的楊培東教授有一項更為長遠又簡單易行的計劃，或將幫助“火星移民計劃”早日實現。
在過去近十年的時間裡，楊培東實驗室的科研人員一直在研究一個將微生物與非生物材料相結合的“循環系統”。該系統可以通過吸收太陽能，將二氧化碳和水轉化為有機分子的基本成分——這也被人們稱之為“人工光合作用”。在 2015 年，楊培東實驗室成功研發出第一代“人工光合作用”系統，而就在近日，他們推出了更為優秀的“2.0 版本”。
根據楊培東的介紹，該系統中硅納米線在本質上類似天線——它們像太陽能電池板一樣捕獲太陽光子。隨後這些硅納米線會產生電子，並將其提供給附著的微生物。最後，微生物吸收二氧化碳，進行化學反應，併產出乙酸鹽。
關於該研究的論文發表在 3 月 31 日的 Joule 雜誌上，楊培東的“人工光合作用系統 2.0 版”創造了一個新的轉化效率紀錄：在長達一週的時間裡，實現高達 3.6% 的吸收太陽能轉化效率，完成由太陽能到化學能的轉換，並最終以乙酸鹽的形式儲存起來。此外，還能產生出氧氣。
DeepTech 為此專門採訪了楊培東教授，以進一步瞭解該研究背後的故事，以及他的未來計劃等。
圖 | “人工光合作用系統 2.0 版”：從空氣中捕獲二氧化碳並將其轉化為實用的有機物的裝置；左側是裝有微生物與納米線內結合系統的空間，這裡會將二氧化碳轉化為乙酸鹽，右側則是產生氧氣的空間（來源：楊培東/UC Berkeley）
如大自然一般的“動態循環系統”
“火星大氣的 96% 都是二氧化碳。”楊培東說，“而我們的系統通過硅半導體納米線來吸收太陽能，並將其傳遞給納米線上的微生物來進行化學反應。”
對於太空任務來說，人們需要考慮有效載荷的重量問題，而生物系統的優勢則在於“它們可以自我複製”。這樣人們就不必依靠火箭來發射更多的東西，因此這也正是該“生物/非生物結合系統”吸引人的優勢所在。即便不考慮星際移民，它在地球上也可以幫助解決能源短缺及二氧化碳排放導致的全球變暖等問題。
“除了陽光之外，我們的人工光合作用系統只需要另一種物質——水。”楊培東說，“而火星上的極地冰蓋相對豐富，星球上大部分地區的地下都很可能凍結著大量的水。”同樣，我們的地球也有百分之七十以上是被海水所覆蓋的。
他實驗室設計的“人工光合作用”系統將硅半導體納米線與可以利用自身酶將二氧化碳轉化成特定多碳產物的微生物相結合，從而實現從太陽能到化學能的轉變過程。在 2015 年該系統首次問世時，便引起了廣泛關注。但在那時，其轉化效率相對較低，只有 0.4%。
“第一代主要是從概念上證明了我們的設計是可行的。”楊培東表示。隨後在過去的近 5 年時間裡，他們不斷地對其優化，直到提高到了如今的 3.6%——而這已接近自然界中將二氧化碳轉化為糖等物質的“冠軍”甘蔗的轉化效率，4%~5%。“我們為此花費了很多心思，大概經歷了 3、4 波研究生。”
因為微生物會有存活時間的問題，對此 DeepTech 向楊培東詢問了該系統的穩定性和持續性，他解釋道：“微生物的自我複製能力很強，也很頻繁。作為轉換的催化劑，用一段時間後就會死掉一批，但之後第二批又會生成了。它會有一個自我再生的過程，所以該系統的持久性是沒有問題的。”
此外，他還表示：實驗室所做的內容都是將其當做一個“靜態”的系統（Batch Reactor）來進行各種研發與測試，但實際上，其最終的應用形態會是像大自然中的植物一樣，週而復始地形成一個“動態循環”（Flow Reactor）。
圖 | 微生物-納米線結合系統的掃描電鏡圖像：在最佳的 pH 值環境下，微生物會緊緊地包裹住納米線；這種緊密堆積會使太陽能更為有效地轉化為碳鍵（來源：楊培東）
作為“人工光合作用”系統的 2.0 版，楊培東的實驗室主要針對微生物與納米線電極之間的界面進行了研究和優化。
研究人員最初嘗試在納米線上填充更多的微生物來提高效率，而當電子通過納米線直接轉移給微生物以進行化學反應時，微生物會從納米線上脫落，從而破壞了電路。經過反覆實驗，他們發現這些微生物在產生乙酸的過程中降低了周圍水的酸度，因此導致了它們與納米線分離。
楊培東和他的學生們最終找到一種方法，可以控制環境中水的酸度，從而抵消了持續產生乙酸帶來的 pH 值上升的影響。這讓他們可以將數量更多的微生物投入到納米線之中，把轉換效率提高了近 10 倍。在不後續補充微生物的情況下，該系統可以穩定高效地進行一週的二氧化碳還原反應。
在太陽光持續照射下，“人工光合作用系統 2.0 版”在一週內平均的“太陽能轉乙酸”的能量轉化效率達到了 3.6%；同時，這一週中每天的乙酸產量也可以達到 44.3 g/m2 （或 0.3 g/L）。此外，他們用同位素標記法確認了碳元素的反應軌跡，並用黑暗對照實驗證明：光能是二氧化碳轉化的唯一能量來源。
而生成的乙酸鹽分子可以作為一系列有機分子的組成部分，包括燃料、塑料和藥物等。同時，許多其他有機產品也可以由轉基因生物體內的乙酸鹽製成，比如細菌或酵母。此外，楊培東的實驗室也正在研究利用太陽能和二氧化碳來生產糖與碳水化合物的系統，這可能將進一步解決星際移民的食物問題。
氧氣則是一個附帶的好處，這或許可以給人類在火星上營造一個模擬地球 21％ 的氧氣環境提供幫助。
“總而言之，該系統中硅納米線在本質上類似天線——它們像太陽能電池板一樣捕獲太陽光子。隨後這些硅納米線會產生電子，並將其提供給附著的微生物。最後，微生物吸收二氧化碳，進行化學反應，併產出乙酸鹽。”楊培東說。
“人工光合系統”得以發展至今，並取得如此引人矚目的成果，這得益於楊培東多年來在多個領域知識的積累，以及其富有“原創性”的設計思維。
作為納米導線領域的開創者，楊培東早在 25 年前於哈佛大學攻讀博士學位時，就和自己的導師——美國三院院士、哈佛大學納米科學家 Charles Lieber 一起，開發出一種有著獨特性質的半導體納米線。
這是一種極細的硅線，直徑僅為人類頭髮絲的百分之一，其可以用於將熱能、光能轉換為電能，或者作為電子元件用於傳感器和太陽能電池等領域。其應用廣泛，潛力十分巨大。
在 2001 年，半導體納米線電子器件被《科學》雜誌評選為十大突破性進展。此外，該技術在 2004 年也被《麻省理工科技評論》評為“影響未來的十大突破性技術”之一。2006 年，《自然》雜誌將半導體納米線研究列為物理學的十大研究熱點之一。
該研究成果也讓楊培東一舉成為世界頂尖的材料科學家。在 2011 年湯森路透（Thomson Reuters）公佈了 21 世紀首個十年的全球材料科學家與化學家“Top 100”的數據，並根據他們各種發表的研究成果的影響力進行排名。楊培東在材料科學家榜單中排名第一，並在化學家榜單中位居前 10（影響力第一的化學家正是他的導師 Charles Lieber）。
圖 | 湯森路透的“全球百強材料科學家”榜單截圖（來源：ScienceWatch）
在研發出納米導線之後，楊培東來到了加州大學伯克利分校，開始著手進行納米導線的光子學，以及納米導線的太陽能電池相關研究。而隨著諸如基因工程、生物傳感器、生物燃料電池等領域的發展，生物和非生物結合的混合性功能材料得到了廣泛關注。隨後，科研界將目光投入到利用微生物來實現高效的水相二氧化碳還原上。
到 2010 年前後，楊培東開始了基於微生物與非生物材料界面的“人工光合作用”的相關研究。由於在半導體納米線上的開創優勢，加之他在化學、微生物學等領域的不斷學習及深度投入，楊培東實驗室在人工光合作用領域的研究一直處於世界領先地位。
“這是一個比較‘小眾’的領域。”楊培東說，“因為它要求的學科跨度比較大，對科研條件和技術積累的要求比較高。不是很多實驗室都能做到這一步。”
但是“小眾”並不意味著該領域研究的重要性不夠。2018 年 9 月，NASA 發佈一項針對太空的“二氧化碳轉化挑戰賽”：提供 100 萬美元的獎金，希望參與者能找到二氧化碳轉化的新方法，將其轉化為葡萄糖等有用化合物。NASA 會獎勵 5 支隊伍，每支隊伍可獲得 5 萬美元，結果在 2019 年 4 月公佈。之後，選出的隊伍將進入第二階段——構建轉換系統並進行展示。第二階段的獎金高達 75 萬美元。
不出所料，楊培東實驗室的研究團隊成功進入第一階段的“最終 5 強”。“目前我們正在進行該挑戰的第二階段。”他補充道，“但是，NASA 的挑戰和我們這兒談的人工光合作用系統並不相同。其方向是無機催化劑，而我們這兒談的人工光合作用系統採用的是生物催化劑。我實驗室的另外幾名學生在做無機催化方向。”
楊培東的實驗室規模很大，目前畢業及在讀的博士生和博士後研究員已有 150 人左右。“差不多有一半是中國學生，剩下以美國和韓國學生居多。”他說道。
圖 | 楊培東和他的學生們（來源：楊培東）
對於研究的態度， 楊培東表示一定要有“原創性”，不要隨波逐流，一味去追求“科研潮流”是不可取的。
由於 2020 年中國教育部發文打破了國內高校“唯 SCI 論”的體系，為此 DeepTech 也詢問了“論文影響力最高”的楊培東的看法。“發表文章不能只追求指數，這是正常的態度，應該讓科研人員靜下心來做科研，所以這個決定是對的。”他表示，以材料領域為例，科研也是有“潮流風向”的。
“比如我開始所在的半導體納米線材料，之後就是石墨烯，以及其他二維材料等。”他說，“研究方向有熱度不假，但科研人員不能一味跟風，要明白他在該領域的原創貢獻是什麼。比方說，你見到一個科研學者，30 秒內你不能反應出來他的代表性工作是什麼，那就說明有問題了。”
因此，“破除 SCI 至上”是正確的。但同時一定要強調，“每個人必須要有原創的代表性工作”。此外，對於年輕的科研人員來說，每個人都有他的機會，找準方向、堅持下去總能夠出頭。“就怕很多年輕人都隨波逐流，只去搞些流行的東西。那樣自然就沒有出頭的那一天。”楊培東說。
對於下一步的計劃，楊培東表示他的實驗室會繼續尋找提高轉化效率的方法。同時，也會去探索基因工程技術，使微生物變得更加“多才多藝”，能夠產生多種有機化合物。
而有關實際應用問題，他表示：“這個研究方向是無止境的。當然，人們總想知道什麼時候能見到一些實際應用。宏大的設想在未來十到二十年內，可能得以實現”
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