## 硬科技报告 | 氢会是石油的替代者吗？

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。

今天的《头条速览》，我想跟你分享的材料是彭天放老师带来的6月《硬科技报告》。今天分享的两条硬科技新进展，都有潜力引发各自领域中的产业革命，并且对于我们每个人的生活也会产生重大的影响。

下面，我们就一起来听听彭天放老师的解读。

你好，我是彭天放，欢迎来到6月份的《硬科技报告》。

在过去的一个月里，我为你梳理出两项值得关注的硬科技进展：

第一项进展，让我们来关注一个对未来10-20年至关重要，但你可能在平常不太会注意到的慢变量——那就是当前人类社会正在酝酿的一场能源革命。什么能够取代石油，成为人类下一代更廉价、更环保的能量来源？在某种程度上，这是将会决定未来社会运行逻辑的重要问题。就在5月底，这个领域传来了一项令人眼前一亮的进展。

5月27号，《自然》杂志发表了来自日本东京大学的一项完美到几乎令人惊讶的研究成果。研究人员发现了一种神奇的催化剂，在这种催化剂的作用下，用光来分解水，产生氢气和氧气的效率可以达到几乎100%。

氧气我们这里先不展开讲，这个氢气，可是下一代能源的重要候选人之一。以往类似的让光分解水产生氢气的研究，反应效率通常都在10%以下。这一次直接把效率提高到了理论上的最大值，也就是接近100%，我想这个结果也许东京大学的研究人员自己都感到有些惊讶。

说到这里，可能需要先补充一点背景知识，这个氢能源到底有什么好处，为什么说它具有取代石油的潜力呢？——它的好处可太大了，我为你主要概括成三点。

首先，氢能源是一种能量密度更高的燃料。能量密度越高的燃料，在工业上往往就越划算。石油之所以能在上个世纪取代煤炭成为世界第一能源，重要的原因之一就是因为它的能量密度更大，大概是煤炭的1.5倍。而氢气呢，它燃烧产生的能量是同等重量石油的3倍，煤炭的4倍。作为下一代能源的候选人，在能量密度这个指标上氢能源的潜力是很大的。

氢能源的第二点好处，是使用起来非常灵活，而且效率很高。我们还是对比石油，石油通过燃烧产生能量，使用效率最大一般也就是30%-40%。也就是说不管是火力发电厂还是私家车，当烧汽油的时候，只有30%-40%的能量转化成了我们想要的电能或者动能。但是氢能源的能量转化效率非常高，甚至可以有90%的能量都被转化成电能。这种超高效率的使用，是通过一种叫做燃料电池的装置完成的。而燃料电池用起来就很灵活了，它的体积可大可小，大的可以驱动轮船汽车，小的可以作为手机电池。手机的锂电池如果换成氢燃料电池，没准可以续航半个月。

氢能源的第三点好处就更重要了，那就是氢能源可能是已知最环保的能源之一。它的燃烧产物就是水，真正实现了所谓零碳排放。对于遏制全球变暖来说，是非常好的解决方案。

不过坦率地说，这些优点远不是今天才发现的。早在1920年，美国就提出了氢经济的概念。但是这么多年过去了，氢能源的发展一直比较缓慢，其中重要的原因之一，就是氢的制备一直是个问题。它不像石油、煤炭从地上打口井就能获得，而是需要特殊的化学工艺来制备。如果在氢制备的过程中，转化效率太低，或者产生了大量碳排放，那就有点得不偿失了，甚至还不如直接烧石油来得划算。

这就要说回我们今天关注的突破了。在诸多制备氢能源的工艺里面，被寄予很高期望的是通过光的照射，利用催化剂的中间作用，把水分解成氢气和氧气。因为阳光和水不仅在地球上随处可见，而且光解水的制氢方式，整个过程非常清洁，对环境影响很小。但这种方法，在过去最重要的缺点就是效率太低，通常低于10%。

那为什么以前的反应效率低呢？这其实跟光解水的反应原理有关。

这里面的化学过程比较复杂，我用一个简单的模型来解释一下。在光分解水产生氢气和氧气的过程中，催化剂就相当于一个泡在水里的微型工厂。当光透过水照到这个工厂里面的时候，在工厂的内部就会产生大量的正负电荷。这些正负电荷会在工厂里面走动，当它们走到工厂外围与水接触的时候，就会把水分解成氢气和氧气。

但是这些正负电荷并不会乖乖地走到工厂外面和水接触，而往往它们自己就会先碰到一起，相互结合，并且发出热量。这个过程叫做电荷重组，是以往光解水反应效率低的重要原因。

而这一次东京大学的研究人员，就想办法解决了这个问题。他们发现一种叫做钛酸锶的晶体材料，在光的照射下，正负电荷会聚集在不同方向的晶体表面。打个比方来说就是一种电荷一心一意地往工厂的东门跑，而另一种电荷往南门跑，这样它们与工厂外面水接触的概率就大得多，而不会自己提前相互碰到一起了。

当然，仅仅发现钛酸锶晶体的优点，还远不足以实现这项研究中接近完美的转化效率。因为晶体内部，往往还存在着一些局部缺陷导致正负电荷会迷路。事实上研究人员还做了很多工作，来优化这种催化剂的晶体结构。

这种经过优化之后的催化剂，在波长350nm和360nm的两个紫外线波段照射下，把接近96%的光能都转化成了水分解后氢气和氧气中蕴含的能量。而且实验中难免会有一些误差和损耗，这个96%的效率已经说明这种催化剂的转化率很可能接近了理论上的最大值，也就是100%了。这让通过太阳光分解水来产生氢能源的思路，看到了新的希望。

但是，你可能也听出来了，这种催化剂距离实际的应用还有一个重要的缺陷，那就是它只在紫外光的范围内，才有接近完美的催化效率。在波长400nm以上的可见光范围内，它的转化效率又迅速下降到了大概10%。而地球由于臭氧层的保护，太阳光紫外线的大部分都被挡在外太空了。所以这个催化剂直接投入工业使用还存在一些问题。

但是我想说的是，这一次东京大学的突破，第一次为接近完美的光解水反应提供了实验证据。未来沿着类似的思路，某一天还真有可能会发现，在可见光波段也有高效制备氢气的催化剂。

新能源革命是当前在科技和工业领域最大的慢变量之一。从历史上来看，人类历史上每一次的能源革命，往往也伴随着巨大的改变。这也是我本月向你推荐这条科技进展的原因，邀请你持续关注。

我为你推荐的第二项硬科技进展，来自我们最近都很关注的中国芯片领域。谈起芯片，给我们的印象往往是两个字——那就是“追赶”。也就是说，我们在芯片这条赛道上一直在努力缩小跟世界第一梯队的距离。

但是不知道你有没有想过，在科技领域除了“追赶”之外，其实还有另外一种超越模式，那就是所谓的“换道超车”。我为你推荐的这一项进展，就来自于芯片领域最有可能换道超车的一个赛道。而且在这条赛道上，中国的科学家走在了世界第一梯队。

5月22号，《科学》杂志发表了一篇来自北京大学的研究进展，北大的张志勇-彭练矛教授课题组制备出了一种高密度、高纯度的半导体碳纳米管阵列。并且以此为基础，首次制作出了性能超越同等条件下传统硅芯片的碳纳米管器件。这一项成果，预示着用碳材料取代现有的硅材料，来制作下一代芯片的技术思路，距离实用化又近了一大步。

上面这段描述，有很多专业名词。不熟悉芯片技术的读者，听了之后可能有点迷糊。因此，我想带你站在芯片发展的历史，来看一下这项研究背后的来龙去脉。

你很自然地就会有一个疑问——为什么今天一部分科学家迫不及待地想要抛弃硅材料呢？要知道用硅来制作芯片已经半个多世纪了，就连芯片的诞生地都被叫做硅谷。

这背后的原因，我们其实此前也反复讲过，就是摩尔定律。摩尔定律的表达方式很多，简单来说就是，根据产业经验，芯片的性能每12-18个月就要翻一倍。虽然这只是一条产业经验，不是什么科学原则，但是从1965年被提出以来，就一直在指导芯片的发展。

在这半个多世纪的时间里，延续摩尔定律最主要的手段之一，就是把芯片里面最基础组成的单元——也就是硅片上的晶体管越做越小。所以你听到的所谓22nm、14nm、10nm、7nm这些芯片，里面这个多少纳米指的就是芯片里面以硅材料为基础的晶体管的大小。

但是话又说回来，摩尔定律毕竟不是一条科学法则，把硅片上的晶体管越做越小是会遇到物理极限的。这个极限尺度具体是多少，产业界其实也一直在摸索。最近我刚好请教过一些业内资深的工程师，目前他们感觉硅材料芯片的极限制程差不多是在2nm到1.5nm。

在这个极限尺度之后，通过缩小晶体管来延续摩尔定律的思路，就不行了。至于硅晶体管为什么不能更小的原因，简单来说，就是因为硅的一些特性，如果晶体管太小，出故障的概率就会急剧升高，把芯片里面上百亿个晶体管协调起来一起工作就非常困难。

那既然把晶体管变小的这个思路不能用了，可是祖师爷的摩尔定律又不能丢，怎么办呢？如何延续摩尔定律，可以说是当今芯片产业的天字第一号问题。怎么解决这个问题，如今呢就有很多流派。其中很重要的一个流派，就是说我们干脆换个材料吧，不要再用硅做晶体管了，用碳材料。

为什么这些科学家认为可以用碳元素呢？其实啊，这跟碳元素本身很多优质的特性有关。比如，用碳纳米管做的晶体管，它的电子迁移率可以是硅的1000倍，通俗来说就是碳材料里面电子的群众基础更好。再比如，碳纳米管里面的电子自由程特别长，通俗的理解就是电子的活动更自由，不容易摩擦发热。

由于这些底层的优点，用碳来做晶体管，甚至不用像硅晶体管那么小，就可以取得同等水平的性能。比如美国国防部2018年支持的一项研究，就希望用90nm规格的碳芯片，实现7nm规格的硅芯片同等的性能。

这里再补充一句，即便是用碳来做芯片，也是有很多思路的。不过坦率地说，这些思路大部分还都处在探索阶段。而最接近实用化的，就是北京大学这项研究中涉及的碳纳米管芯片这个领域。

早在2013年，美国斯坦福大学就制造出了第一台碳纳米管计算机；而到了2019年8月，美国麻省理工学院发布了全球第一款碳纳米管通用计算芯片，里面包含14000个晶体管。《自然》杂志当时连发三篇文章推荐这项成果，可见当时的轰动性。

不过你可能也听出来了，即便是去年麻省理工学院发表的这项轰动性的研究，也只包含14000个碳晶体管。这比起现在手机芯片里面动不动就上百亿个晶体管的规模，还差着很远——究竟是哪出了问题呢？

这里面的症结，就在制造工艺四个字上。要想制造出性能比肩商用器件的碳纳米管芯片，一个重要的前提就是你得能制造出，高纯度、高密度、排列整齐的碳纳米管阵列。

一旦碳纳米管阵列的纯度、密度不够高，或者排列不整齐，就很难可靠地制造出上亿个晶体管这种规模的商用芯片，因为保不齐哪个晶体管就会出现故障。麻省理工在2019年发布的这项研究，所用到碳纳米管阵列的纯度只有四个九，也就是99.99%。而人们猜测这个纯度至少应该在六到八个九的时候，才能够让碳纳米管芯片的性能比肩传统芯片。

讲了这么半天，就要说到北京大学上个月的这项研究了。北大张志勇-彭练矛教授的科研团队，通过独创的制备工艺，在4英寸的基底上，制备出密度为120/μm、纯度高达六个九，也就是99.9999%的碳纳米管阵列。在密度和纯度这两个重要的指标上，比过去的类似的研究高出了1-2个量级。

并且基于这种高品质的碳管阵列，研究人员还批量制作出了相应的晶体管和环形振荡器来验证这种新工艺的批量生产潜力。实验发现，这些晶体管和环形震荡器的性能，首次超过了同等尺寸下的传统硅芯片里面的器件，证明了碳芯片确实有可能比硅芯片更强。

碳纳米管芯片一旦在未来走向产业应用，由于在功耗和性能上的优势，很有可能应用在手机和5G基站这样的场景中。甚至在人体内部、国土边疆，还有太空这样对于能耗要求比较苛刻的场景，也有广泛的应用潜力。比如，芯片的能耗如果能够继续下降两个量级，就可以利用像是人的体液、体温这类非常细微的能量来源进行供电，使用的场景会比现在的消费电子产品更加广阔。

特别值得一提的是，这项研究的通讯作者彭练矛院士，在碳基纳电子领域深耕将近20年。他为我国保留了在芯片领域碳纳米管芯片这条赛道上，换道超车的可能性。这也是我在本月为你推荐这项进展的原因。

本月的硬科技报告就到这里，我们下一期再见！

好，彭天放老师的解读听完了，我是邵恒。我知道，每个月听一次硬科技的进展，有点不过瘾。如果你想了解更多前沿科技相关的话题，有几个我在知识城邦里发现的科技达人，推荐你关注。

一个是一位叫Sen的用户（戳此关注）。这位用户用脑图的方式，梳理科技趋势或者科技论坛的讲座笔记。他在知识城邦做这件事，已经从二月份开始一直坚持到现在。

另一位值得关注的用户叫赵会伟（戳此关注），他是中科院微生物研究所的助理研究员。他经常在知识城邦分享自己的读书笔记，很多都是前沿科技领域的，比如最近分享的话题有重新设计生命、物种复活、虚拟人等，总之看了让人脑洞大开。

还有一位知识城邦用户，我们都很熟悉啦，就是王煜全老师（戳此关注）。王煜全老师最近在知识城邦开设了一个“要闻评论”，每天从商业的角度来分析科技领域的进展。

希望这几位知识城邦达人，能满足你对前沿科技的好奇心。

好了，这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒，我们明天见。

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