斯坦福纳米科学家崔屹：做顶级科研，还要开成功公司

 

          极小的尺度却成为突破技术难题的窗口：高能量密度的硅负极电池、能过滤99%PM2.5又透气的口罩、能透红外线从而快速散热的智能布料，这些无一不是崔屹通过纳米技术发明的。
          诸如此类的发明不仅让出生于广西来宾的崔屹成为顶级学术期刊的常客，获得布拉瓦尼克青年科学家奖等奖项，还屡登《科学美国人》评选的年度“十大创新技术”，促成了安普瑞斯（Amprius）、4C Air两家科技公司的诞生。
          近日，崔屹接受了专访。回忆起约20年前，从中国科学技术大学本科毕业，辗转到哈佛大学读博士，第一次接触纳米技术，崔屹说，当时“也不是很知道纳米能干什么，只是觉得这个领域有前途”。
          崔屹能感觉到，从纳米的视角看出去，世界变得更神奇了。坚硬的材料做成纳米纤维，会变成可以弯曲而不会折断的条块；日常看起来黄金是金色，但到了纳米尺度，它在溶液中呈现红色；原本是惰性的材料在纳米尺度上，可能变得异常“活跃”，容易燃烧。
          2005年，崔屹开始在斯坦福大学任教，着手将纳米技术用于电池的研究。回头去看，有些惊讶的是，崔屹当时的想法没有得到很多人的支持。纳米+电池？同行认为挑战太大。一来纳米材料的比表面积大，加重电解反应，会增加副作用，二来纳米材料如何有序堆积的问题尚未得到解决。“新的想法进来，受质疑是很经常的。”崔屹说。
          最终，崔屹把这个他开创的研究领域坚持了下来，一一解决了技术上的难题。现在，他思考的是，如何从工艺上，把纳米材料的价格降下来，让更多人用得上。
          创办公司，把自己的技术转化成商品，这个想法自然而然地产生在崔屹脑海中。更何况，他就身在硅谷。“我是从不懂开公司，到一边开一边学的。”崔屹说。2008年，专攻新型电池的安普瑞斯成立。2015年，生产新型口罩的4C Air成立。目前，他在筹划一个新的商业模式的第三个高科技公司 。
          问及中美在对待科学家创业上的区别时，崔屹回答：“细节上，比如股份分配的灵活度上有很大区别。价值观上，是不是教授创业就不务正业？这要有所改变。” 
电池的“三步走”
          就在接受专访的前一天，崔屹和诺贝尔物理学奖得主朱棣文合作的一篇论文刚在美国的《科学》杂志上发表。这是一次看起来跨界的研究——用冷冻电镜观察原子级金属锂的枝晶和固体电解质界面膜（SEI）的纳米结构。
          冷冻电镜促成了3位科学家获得今年的诺贝尔化学奖，是结构生物学家的得力助手。2016年，受到生物学家的启发，崔屹开始将冷冻电镜用于电池研究。第一个他想借此回答的问题便是，金属锂的枝晶和界面膜在原子层面是什么样的。
          枝晶和锂电池安全紧密相关，“充电的时候如果控制得不好，金属锂的枝晶会长出来，像一棵树一样”，枝晶会捅破电池正负极之间的隔膜，造成短路，甚至引发爆炸。
          固体电解质界面膜（SEI）则是负极材料和电解液接触，生成的反应物，厚度约为50个纳米左右。这层膜影响着电池的稳定性，决定着循环使用寿命到底是1000次还是10000次。
如果能看清金属锂枝晶的原子层面，知道界面膜的结构，科学家就能进一步解决以金属锂为负极材料的锂电池的安全问题，并使其寿命更长。但这个问题一直困扰学界半个世纪之久。金属锂的熔点低，使用电子显微镜观察时，电子束会将它融化，“打出一个洞”，破坏了原本的结构。直到冷冻电镜的应用，避免了这个问题。
          崔屹为这项突破感到欣喜。他视金属锂为一种未来的电池负极材料，因为金属锂的能量密度高，如果解决了安全性等问题，可以将现在电动车电池的储能翻倍。
          崔屹介绍了他对未来电池正负极材料的发展路线规划。目前锂离子电池的主流正极是钴酸锂、磷酸铁锂或者三元材料，负极材料主要是石墨，其能量密度是有限的，最多约为300瓦时每千克。接下来第一步是将硅取代石墨作为负极材料，可将能量密度提升至400瓦时每千克。第二步，负极材料从硅换为金属锂，能量密度达到500瓦时每千克。第三步，正极材料改为硫，负极材料为金属锂的电池能量密度达到600瓦时每千克。
          “能量密度达到500瓦时每千克时，特斯拉（一次充电）可以开800到1000公里，比烧油的车跑得还远。”崔屹说。
          在崔屹成立的安普瑞斯公司，“三步走”中的第一步正在走向现实，已经量产了负极材料是硅和石墨混合物的电池。“硅的比例会慢慢调大，最后能量密度越来越高。”崔屹说。
          他估计，“三步走”中的第二步，即以金属锂为负极材料的电池还需要学界5-10年的研究，“产业化则是10年开外的事”。
能过滤99%PM2.5的口罩
          崔屹产生想开发新型口罩的念头是在三年前，回了一趟中国之后，他发现雾霾很严重。回到斯坦福大学之后，他让人买回了中国市场上各种各样的PM2.5口罩。“吹得很牛，但大部分口罩对PM2.5不管用。”崔屹说，尽管有个别品牌的口罩过滤PM2.5的效率不错，但存在不透气的问题，戴着太闷。
          “这是因为口罩的空气阻力太大。”崔屹解释。他想研发一款在保证过滤效率的同时，增加空气流动性的口罩。这意味着口罩需要敏锐、特异性地捕捉PM2.5。
          崔屹于是发明了一种纳米高分子纤维的过滤膜，空气阻力仅为市面上口罩的三分之一至二分之一，同时过滤效率达到99%。究其原理，崔屹解释，纳米高分子纤维直径很小，带有静电，且电场梯度强，从而使其能“抓住”不带电的PM2.5。
          这一原理恰是朱棣文在1997年获得诺贝尔物理学奖的依据。2015年，崔屹与朱棣文合作，成立了4C Air公司，着手把这一技术产业化。不仅是口罩，他们还想生产基于这种过滤膜的纱窗，雾霾天不再需要紧闭门窗。
          中国会是4C Air的主要面向市场，在深圳的分公司也已成立。崔屹透露，4C Air目前正在设计生产线，预计2018年能将基于这款过滤膜的产品进入市场。
快速散热的智能布料：纳米“保鲜膜”
          “现在，全世界的能源消耗，13%用在空调上。”崔屹在报告时提到，一个人相当于100瓦的灯泡，在非运动状态下如何快速散热成为他一段时间内经常思考的问题。
          人体会自动调控体温，散热过程中，50%靠红外线，其余是通过汗蒸发等。而绝大部分的布料是对红外线不透明的。
          有没有什么材料可以让红外线通过？崔屹想到了冰箱里使用的保鲜膜。保鲜膜的材料是聚乙烯，对红外线透明，但是对可见光也透明，不符合“遮体”的条件。
          怎么办？崔屹对聚乙烯进行改造，研发出纳米多孔聚乙烯，通过控制纳米孔的大小，让可见光进行散射，解决了“布不遮体”的问题，同时红外线和空气可以随意透过。
          经测试，裸露的话，体表温度为33摄氏度，穿上纳米多孔聚乙烯制成的衣服，体表温度仅上升1摄氏度。相比之下，穿上棉质衣服，体表温度上升4摄氏度。
          此外，据介绍，纳米多孔聚乙烯能实现回收再利用。
斯坦福：允许教授一周花一天时间在公司上
          崔屹的两家公司都已步上正轨。他告诉澎湃新闻，自己正在筹划第三个公司，将智能布料、水过滤等专利归于一个控股公司，再分离出小公司来将专利快速产业化。
          “我想把产业化加速，所以想了一个新的商业模式来进行。”崔屹说：“跟斯坦福谈得很好，已经敲定了。”
          不可否认的是，斯坦福大学对教授、学生创业的支持，在很大程度上影响着崔屹。“斯坦福的机制非常灵活，专利的使用权方面非常成熟，很快就可以谈妥，给教授很大的自由度进行创业，也不需要全职离开。”崔屹说。
          2007年，崔屹一篇关于硅纳米线用于电池的论文一发表，就有硅谷的风投主动抛来橄榄枝。看似是自然而然的事，崔屹开始了自己的创业。“我是从不懂开公司，到一边开一边学的。”他说。
          “斯坦福大学允许教授一周花一天时间在自己的公司上，我就按照规定最多花一天时间。”崔屹说自己主要的角色依然是大学教授。尽管经过多年的操练，他已经对开公司这件事的各方面很清楚，但他不参与公司的日常运营，而是雇佣职业经理人来操办。
          这几年，崔屹把分公司开到中国来，一方面感受到中国在越来越开放，但相比美国，步骤上依然要复杂一些。
          谈及中美在对待科学家创业上的差异，崔屹说，中国科学家“出山”创业，需要花很多时间处理条条框框，而在斯坦福大学，自由度上要大得多，“不需要经过审批，也不用报备，只要和学校谈好把专利拿出来办公司，知道有公司创办这么回事就好了”。
          “细节上，比如股份分配的灵活度上也有很大区别。价值观上，是不是教授创业就不务正业？这要有所改变。”崔屹说：“斯坦福的例子表明，做顶级的科研和开成功的公司不矛盾。”