朱棣文:返璞归真的科学家

朱棣文:返璞归真的科学家

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(2020年9月22日,新加坡)采访当天,美国加利福利亚下午5时,新加坡早上8时。尽管有15小时的时差,时代财智和朱棣文教授的采访话题一直紧密围绕在中美、能源、未来。

祖籍江苏书香门第,荣获诺贝尔物理学奖,担任美国国家部长……朱棣文这些闪亮的头衔,如每个切面都闪闪发光的钻石;这样一位熠熠生辉的华裔,如何看待中美关系,以及紧张环境下的两国科技未来,他直言,作为美国公民,他要对美国效忠。但是他衷心希望中国能源取得长足发展,成为世界强国。而他自己,最享受的是回到最初的起点,在实验主义者的理想天地中继续畅游。

2020年9/10月封面人物:朱棣文(Steven Choo)

视频采访的两端,一边是马六甲海峡的新加坡,另一边是加利福利亚的斯坦福大学。按照约定的时间,朱棣文教授(Prof Steven Chu)如约出现在屏幕上。他身着灰色夹克衫,简单得无需笔墨形容。他面带微笑,手掌在空中稍微挥舞,略作停顿而落下,一个简单美国领导人式的问好开场白,我们的采访就这样开始了。

时代财智总编辑宋娓(左下),主编张军博士(左上)采访朱棣文教授(右下)

诺奖得主,潜心科研

“我喜欢学习新事物,新科学,新领域,我对电池、电化学、粒子和生物领域都感兴趣,我是一个不折不扣的实验主义者。”

精神矍铄,专注聆听,反应敏捷,冷静幽默,这是屏幕上的朱棣文教授给我们的第一印象。若不是已知道他的年龄,很难把他与72岁的年龄联系在一起。

朱棣文教授身后的背景,是他在美国斯坦福大学的朱棣文实验室(Chu Lab)的办公室 。这间实验室以他个人命名,可是用朱教授谦虚的话说,实验室规模不大,只有5、6个研究人员。而事实上,这间坐落于詹姆斯.克拉克中心的实验室,是结合了物理系和分子和细胞生理学系的一部分。

这个听起来高端跨界的学术名词,已经感觉不简单。事实上,该实验室研究领域横跨基础物理学、分子成像技术,纳米粒子等领域。现在朱棣文教授带领他的团队,正在从事一些生物学[SP2] 相关的研究,比如团队正在将新技术应用于超声波领域,一旦实验成功,怀孕的妇女也可以使用X光进行检查。

今年4月,朱棣文教授的研发团队和崔屹教授,闭关14天,研发出沸水蒸汽消毒N95口罩的方法,并得到认证。

“探索新领域是十分有趣的事。只要我保持研究学习的能力,我就能很快地学到新东西。人们总是说,年龄老了就会反应变慢,但是我现在仍然可以做数学证明题。”年过七旬的朱棣文颇为得意地说道。

举手投足间,他的动作利落干脆,一种不服老的霸气。

这位大名鼎鼎的诺贝尔奖科学家,对探索新知仍保有孩子般的好奇,可能这是另外一种保持青春,延缓衰老的办法吧!他不喜欢墨守成规的路线,自爆小时候他并不是家中最优秀的那个孩子,比起两位兄弟就读的常春藤大学,他就读的罗切斯特大学相对平庸,“我是第一个没去常春藤盟校的人。”

怀着未能上常春藤名校的遗憾,朱棣文在大学毕业后继续前往加州大学伯克利分校深造,凭着自己的兴趣与热情读完了物理学博士,之后留校做博后。在30岁那年,他进入了当时极负盛名的贝尔实验室(Bell Labs)潜心研究,正是在这里,他开始关注通过激光冷却技术捕捉原子的研究,为日后获得诺贝尔奖奠定基础。

激光致冷捕捉原子是目前世界上最尖端的一项技术,这项研究能够帮助人们了解放射线与物质之间的相互作用,特别是深入理解气体在低温下的量子物理特性。由于原子与分子移动的速度非常快,为捕捉到气体中的原子与分子,唯一可行的方法是冷却,然而,一般冷却方法是气体凝结为液体进而结冻。

朱棣文团队的研究则打破传统,利用激光束达到万分之一绝对温度,等于非常接近绝对零度。原子一旦陷入其中,速度将变得非常缓慢,而变得容易俘获。

这项技术应用的场景非常广泛,可以利用此技术测量重量,做重力分析图,以观察油田的内层、勘探海底或地层内的矿物质,在生物科技上可以解读去氧核糖核酸(DNA)的密码,科学家还可以借此研究“原子激光”,制造精密的电子元件……科学家们普遍认为,这是一个了不起的研究成果。

凭借这项技术,1997年朱棣文获得诺贝尔物理学奖,他本人也被誉为“能抓住原子的人”。

直至今日,朱棣文谈起他第一次见到一些原子被光束所控制时,仍很兴奋。朱棣文说:“我完全没有期望可以看到成果,但当想象变成事实,可以这么近距离接触时,那兴奋的感觉实在难以形容。这是我从事科学研究多年来最难忘的时刻。”

2015年,朱棣文就能源问题在论坛上发表演讲。

能源部长,全球协作

“作为一个负责任的科学家,我必须思考切实去做些什么来改变环境恶化的局面。”

2004年,朱棣文被任命为美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)主任,成为首位掌管这个美国能源部资历最深的国家实验室的华裔,他的研究重心也随之转移至环境及能源问题。

谈及职业方向的转型,朱棣文表示,气候变化是当今时代亟待解决的问题。他们曾通过卫星精确测量了南极冰川的温度在不断升高,而未来地球温度再上升一度的话,海平面将上升6到9米左右,这将导致全球10%的人口将被迫离开他们的家园。

“作为一个负责任的科学家,我必须思考切实去做些什么来改变这一局面。”朱棣文说道。在他的带领下,这个拥有4000名员工的国家实验室开展了多项生物燃料和太阳能科技的研究。他本人也与斯坦福大学的崔屹教授合作开发新型电池,以应用于新能源汽车中。

凭着对环保问题的热情和他为此所作出的努力,朱棣文受到时任总统奥巴马的青睐,2009年被提名为奥巴马任内的能源部长。在提名仪式上,他宣布:“我相信我们在修复经济的同时,一定能够走上一条能源可持续发展之路。”

在朱棣文担任美国国家能源部长(United States Secretary of Energy)期间,他推动了包括清洁能源(如太阳能电池业)、电动汽车等行业在内的可持续发展计划,并呼吁全球各国携手合作,应对全球气候变暖问题。

朱棣文表示,共享能源效率标准是一件很重要的事情。如果开发出具有节省成本效益的节能技术,在申请知识产权后,则可以与世界共享这些技术。在他担任能源部长时,主要工作就是如何共享,提高能源效率。在高压输电线路的技术方面,数十年前中国首先使用的是ABB、西门子等欧洲公司的技术,而美国在那时失去了技术领先地位的机会。

现在,随着高压输电的成本越来越低,这种技术就像建高铁一样广泛应用了。现在,当中国试图整合风能以及变速箱配电与储能和泵浦储能技术时,同时实现降低能源成本,那么全世界都可以向它学习。在中国经验成功以后,可以让世界其他国家获得成本低廉的清洁能源,共同受益。

环境恶化 亟待解决

“我们需要一个不同的领导人,带领美国向清洁能源过渡。”

世界正在发生着前所未有的气候变化,比十几年前科学家和学者们预测得甚至更加严重。正如我们所看到的,飓风、干旱、森林大火……尤其是在夏季,森林更加干燥。在美国的加利福尼亚州,一年中有10个月都处在火山爆发季。去年,澳大利亚的丛林大火足足烧了4个月……

一个越来越明显的事实是,气候在不断恶化。在过去的五,六年中,在德克萨斯州、路易斯安那州的地区,普通百姓经历了本世纪以来最多次的风暴,他们的房屋也受损严重。而且,在美国,保险公司开始不再提供火灾、洪灾的保险,因为他们遭受了太多损失。气候变化让人们面临更多不确定而脆弱的环境带来的挑战。

然而,美国总统特朗普对全球变暖这一事实无动于衷,并对专家学者们的警告不以为然。据德国之声报道,2018年,美国国会授权汇集了3000多名科学家撰写厚达1000页的《第四次全国气候评估》,其中的一份报告甚至被特朗普称为无稽之谈。2019年,特朗普政府宣布美国将退出对抗全球气候变化的巴黎协议。若特朗普在2020年总统大选中获得连任,那么第二天他就可以带领美国正式退群“气候协议”。

“特朗普压根儿不相信气候变化,而他的政策并不想做任何事情。可悲的是,现在这已变成一件非常政治的事情。”朱棣文教授与其他专家学者一样,对特朗普现行的环境能源政策感到不满,“美国需要新的领导人!”

中国与美国都是能源消耗大国,也是材料生产大国。两国入围世界500强的企业几乎不相上下。根据财富杂志前不久公布的2020世界500强名单,位列该名单的美国企业有121家,而中国企业有124家,这是中国首次超越美国的情况。

中国有14亿人口,在企业大规模投入生产、经济快速发展的同时,必定带来污染问题。“随着中国的强大,我认为中国的中央领导层也认识到,过去不惜一切代价实现的经济增长,其实是有众多环境隐患的。”

在过去的十年中,越来越多的中国人开始关注水污染,空气污染。中国最高领导人习近平曾多次强调:“既要金山银山,又要绿水青山。”尤其是在过去的五年中,中国政府已经明确将环保写入立法,并开始执行。

关于中国的能源结构及开发现状,朱教授认为,中国政府需要增加对清洁能源及可再生能源的有效利用,并设法在经济增长与清洁能源之间取得平衡,简言之,提高能源使用效率,降低能源生产成本。

朱教授表示,中国西部和西北部拥有丰富的风能及太阳能资源。目前,风能太阳能和高压输电配电正变得越来越便宜。但由于风能与太阳能受自然条件约束的影响较大,其转化率不会超过50%,达到80%都是非常困难的。

他进一步解释道,由于风能和太阳能受自然条件的影响很大,不能随时按需提供能源。因此必须储备过剩的产能,以在需求增加时可随时取用。于是,世界上越来越多的国家把注意力投向抽水蓄能电站,这种作为可再生能源的最佳储能设备。目前,美国、中国、日本和西欧都建造了装机容量最大的抽水蓄能电站。

“中国西南部拥有庞大的水力存储设施,并且配套建设了水电基地外送通道。这很好,因为它们实际上有机会真正开始将存储与长距离传输电力资源,以及及可再生能源整合在一起。不过,以美国目前的情况来看,我们很难做到做到这一点。但是我们亟需一个不同的领导人,带领美国向清洁能源过渡。”

清洁能源,前景光明

“我认为未来大多数人会倾向使用电动汽车,因为它的成本比燃油汽车要低得多。”

今年9月初,美国电动车生产商——特斯拉(Tesla)股价大涨,一度超过500美元,今年上半年六个月的平均市值达到2000亿美元,大大超出了其竞争对手——美国汽车制造商通用汽车公司(410亿美元)、福特汽车公司(270亿美元)和菲亚特克莱斯勒汽车公司(230亿美元)。

对此,朱棣文教授表示,这有些奇怪,因为特斯拉的产量及销量远不及其竞争对手。但他仍然认为特斯拉是电动汽车技术的领导者。在开始大量生产电动汽车之前能够拥有这样的市值,这是令人鼓舞的消息。

随着越来越多的大体积的电池进入汽车行业,朱棣文教授也谈到,需要重视电池的回收与重复利用,否则它们会制造另一项需要解决的污染问题。一般而言,锂电池在使用10至15年后,就需要回收了。正因为如此,电池的材料对其至关重要。

手机、相机等小型电子设备中需要体积较小的电池,而这种体积较小电池采用的材料是钴酸锂,这是约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough)去年获得诺贝尔奖的一项研究。因为这种电池较小,所以可以回收重新利用的微量金属元素一般可以忽略不计。而对于适用于汽车行业的大型电池,从中取出钴、镍和锰元素仍然有意义。

通过回收大型电池,使用物理、化学等回收处理工艺将电池循环利用,或将电池中具备利用价值的金属元素提取出来。回收处理后的废旧动力锂电池及其钴、镍和锰等元素最终可重新应用于锂电池领域,或粉末冶金等领域。

朱棣文告诉记者,前特斯拉首席技术官 JB Straubel 创立的Redwood Materials 就是一家材料回收公司,他们期望通过回收处理工艺再次提供昂贵的电池材料,例如镍,钴和锂,从而降低原材料成本价格。

除了回收原材料,开发新技术也是关键。朱棣文表示,“在电池界中,这是一个竞争激烈的世界,我们需要快速研发新材料,以适合当前电子设备对电池的要求。”

目前,汽车制造商或手机制造商对电池性能的要求越来越高,期望科研团队研发出重量更轻,体积更小,续航能力更强的电池。由于钴和镍材料成本昂贵,如果未来电动汽车被人们广泛应用,行业内的下一个突破是开发新的、便宜的材料。

电动汽车电池市场上对锂的需求一直在不断增长,但其储备量不够丰富却是个问题。不过,海水中的锂资源相当可观,全球海洋中包含的锂约有1800亿吨。但问题在于海水中锂的浓度非常稀薄,约为百万分之0.2。

“今年7月我们发表了一篇论文,展示了一种通过脉冲电化学插层法从海水中提取纯度更大的锂的技术,并申请了专利。”朱棣文解释说,在过去科学家们从海水中提锂时,钠也会被同时吸入。且由于海水中的钠比锂多得多,提锂过程中往往会掺入大量的钠,甚至挤占到锂的提取空间。

朱棣文教授的团队开发的新技术,是在电极上涂覆一层薄薄的二氧化钛,锂离子比钠离子体积更小,所以更易穿过薄膜进入电极。通过控制电压,数次循环过后,锂就能集中在电极里,而最终获得钠锂比1:1的结果。

朱棣文对电池技术的未来前景感到乐观。他认为电池行业的下一个重大事件是,实现快速充电。他有信心在未来5至10年内,电动汽车行业能够实现五到六分钟内完成充电100英里至150英里。

“未来大多数人会倾向使用电动汽车,因为它的成本比燃油汽车要低得多。并且汽油和柴油所造成的氮氧化物等PM 2.5颗粒对城市的污染太严重了。”朱棣文说道。

平凡之心,返璞归真

“我只是一个简单的科研工作者。”

很难相信,身为曾经的诺贝尔奖获得者、美国前能源部长,以及多家能源公司的董事,这位有着科研追求的科学家,在平日竟是一个平凡普通、生活简朴的人。

当谈到外界对他的报道,在他的家乡,还有一所以他名字命名的小学。对此,朱棣文只是谦虚地表示:“我只是一个简单的科研工作者。”

朱棣文告诉记者,现在他的座驾是一辆开了18年的宝马汽车,平均每年仅仅行驶5000公里左右,仅为加利福尼亚州当地人平均年驾驶里程的四分之一。他说:“我只有去超市时才开这辆车。”

在被问及,未来有一天会不会更换特斯拉的电动汽车时,这位风趣的科学家笑着说,“我可不会去换成特斯拉!首先保险太贵了,其次我觉得太浪费钱了,因为我很少开车。”

朱棣文透露,他享受经常骑脚踏车,去超市还经常自带购物袋。在采访结束之时,他已破例延长了10分钟,面对记者的穷追猛问,他面带难色,诚恳地说,“实在抱歉,我必须要离开了。我得去骑脚踏车了,这会让我保持年轻和健康。”

大繁至简,这就是一个保持着儿童般天真好奇心、年青人学习上进心,乐龄的平淡是真的科学家,朱棣文。

朱棣文早年在实验室。(受访者提供)

朱棣文:出身名门,诺奖得主

朱棣文教授 ( Prof. Steven Chu ) , 美国华裔科学家, 祖籍江苏太仓. 美国科学院院士, 诺贝尔物理学奖获得者。1948年2月28日,出生在美国密苏里州圣路易斯市, 父母 均为中国早期留美学者,目前是斯坦福大学物理学Wiliam R. Kenan, J.教橙兼医学院教授, 在原子和高分子物理学、生物物理学、生物成像、电池和其他能源技术等领域拥有15项专利、获加州大学伯克利分校的物理学博士学位以及32个全球多所顶尖大学授子的荣誉学位。

1997年朱棣文以激光冷却原子技术, 荣获当年的诺贝尔物理学奖,成为继杨振宁、李政道、 丁肇中后,第四位荣获诺贝尔物理学奖的华人,而他本人也被誉为 “能抓住原子的人”。

2009年1月至2013年4月底,朱棣文出任美国第12任能源部长, 作为第一位担任内阁职位的科学家和任取时间最长的能源部长, 他聘请了杰出的科学家和工程师进入能源部,并开启多项能源举措,如:设立ARPA-E (高级能源研究计划署) , 能源创新中心等。

在担任能源部长之前,他曾是劳伦斯.伯克利国家实验室 ( Lawrence Berkeley National Laboratory ) 主任。在这个美国能源部下属资历最深的国家实验室,他积极致力于推动替代能源和可再生能源技术的发展; 此外,他还担任斯坦福大学的物理学和应用物理学教授,帮助创立了横跨物理生物与医学工程的科研机构Bio-X。在此之前,朱棣文曾是贝尔实验室量子电子研究部的负责人。

目前,朱棣文是美国科学促进会主席, 也是国际诸多顶级研究机构的会员或外籍院士, 包括美国国家科学院、美国哲学学会、英国皇家学会、英国皇家工程院、中国科学院,、韩国科学技术研究院和白俄罗斯国家科学院等。此外,他也担任包括安普瑞斯在内的多家能源公司的董事。