原文作者：James Mitchell Crow
亚洲国家投入大量资金和力量开发新兴可持续技术，力图战胜高温、独占鳌头。
研究人员开发的一种微光子薄膜，可以捕获来自太阳的绿光并将其重新发射为红光，从而增强光合作用。
在炎热的天气里买冰淇淋，对那些喜欢慢慢舔着吃的人来说有个困难：梆硬的冰淇淋也可能在几秒钟内变成汤。中国一组研究人员进行的一项实验为那些吃太慢的人带来了一些希望。他们发明了一种可生物降解的“被动冷却”包装——其工作原理是将热量辐射到太空中——在阳光下放置 80 分钟后，冰淇淋仍能完好无损1。
SHEN, L. ET AL. NATURE FOOD 2, 434–441 (2021）
这项实验有一个重要的动因。领导研究的南京大学材料科学研究员朱嘉介绍，实验表明，此类材料在应对气候变暖方面具有巨大的潜力。当一块 80 平方米的相同材料被铺在新疆天山 1 号冰川表面时，20 天后覆盖的部分高出约 70 厘米。其他研究人员已经在屋顶上使用类似材料来冷却建筑物，而无需消耗能源。
寻找被动冷却解决方案是亚洲各地材料基绿色技术研究激增的一个例子，亚洲国家在《自然指数》中材料科学领域日益占据主导地位，这一重心可能是一个因素。2023 年，中国、日本、韩国、印度和新加坡均跻身全球材料科学产出前 10 名。它们合计占该领域全球产出份额的 63%（份额是衡量一个国家或机构在《自然指数》期刊上的产出的指标）。
大部分绿色材料工作都集中在下一代电池和太阳能电池的研究上，但人们也在研究许多其他技术，通常集中在以不寻常且可能有用的方式与阳光相互作用的材料上。
“在自然界中，光和热是两种极为强大的能量形式，”朱嘉说。“我探索使用分层结构材料来操纵光和热的方法。”冰淇淋研究展示了分层结构的作用。在微观尺度上，植物衍生的醋酸纤维素薄膜中的孔隙会散射和反射入射的阳光，从而将太阳热量反射出去。在纳米尺度上，薄膜的原子结构会在红外光带（称为大气透明窗口）内辐射热量。这种热量不会被任何大气气体重新吸收，而是散失到太空中——利用宇宙作为巨大的散热器来保持地球上的物体凉爽。
香港大学开发被动冷却材料的材料科学家尹晓波表示，这种辐射冷却材料可以在不消耗能源的情况下保持物体凉爽，可能是应对城市热浪的关键。“空调将热量从室内转移到室外，同时消耗能源，这会增加环境热量。”尹晓波说。“能够辐射冷却的建筑物或道路，是能将多余热量排出地球的唯一方法。”
2021 年从美国移居香港的尹晓波表示，亚洲的特大城市是被动式制冷能大展宏图的地区之一。这也是许多亚洲国家优先研究可持续材料的原因之一。朱嘉认为，人们就采取行动应对气候变化的必要性达成共识也大有裨益。他说：“我想在中国，人们不怀疑气候变化的真实性。”
在美国，朱嘉先后在斯坦福大学和加州大学伯克利分校学习和工作了近十年，2013 年加入了南京大学。他也指出，现有证据表明，环境挑战可以通过技术应对。例如，当他回到中国时，城市大气污染曾很严重。“工业化对环境的影响非常明显，”他说。但他表示，自那以后，政府采取的一系列措施（包括鼓励电动汽车普及）已经产生了效果。
新加坡国立大学旗舰绿色能源项目主任刘斌。
朱嘉补充说，绿色能源材料研究对许多东亚国家的经济也很重要，因为这些国家“高度重视制造业”，而制造业是能源密集型产业，通过向可再生能源转型，可以降低成本，减少碳排放。此外，出口新型绿色能源技术的潜力也很大。
澳大利亚墨尔本皇家理工大学材料科学家马天翼说：“印度和中国等国家大力支持材料科学研究，因为他们认识到基础研究对促进其制造业发展的潜力。”
马天翼补充道，在投资转化研究阶段资金，以更好地将学术创新与产业联系起来方面，亚洲国家也表现出色。“这是一个双赢的局面，因为作为回报，产业合作伙伴为基础研究提供了更多的资金支持。”
乐观的研究
除了利用反射阳光来降温的材料外，亚洲另一个非常活跃的研究领域是开发能够捕捉和利用阳光的材料，以实现可持续发展。尹晓波的最新研究重点是开发一种半透明材料，它可以捕捉太阳的绿光并将其重新发射为红光。“我们正在尝试调整太阳光谱，以改善农作物。”尹晓波说。植物很少利用阳光中的绿光进行光合作用——因此，当这种光被反射时，叶子会呈现绿色——因此将太阳光谱中的绿色部分转化为红光会将其转化为植物可以利用的形式。
重大影响
自然指数中材料科学研究排名前十的国家或地区有一半在亚洲，它们共同贡献了 2023 年该领域总产出的近三分之二。中国迄今为止在全球占有最大份额，但其亚洲邻国也发挥着重要作用。
来源：Nature Index
通过这种方式调整太阳光谱2，尹晓波与同事在美国时首次合作开发的微光子薄膜使生菜的生长速度提高了 20% 以上。在灯光下生长的植物也获得了同样的效果。“对于垂直农业或蔬菜工厂来说，主要的能源成本是照明，” 尹晓波说。“这是我们的工作可以做出贡献的领域。”
该团队正在开发一种用于可持续生物制造的薄膜版本3。“我们还想根据微藻的快速生长来调整太阳光谱。” 尹晓波说。这个想法是利用微藻将二氧化碳排放转化为有价值的产品，因为微藻在生长过程中会吸收二氧化碳，从而富含可收获的蛋白质和油脂。该团队首先瞄准的是小众、高价值的超级食品或化妆品应用。“但我们的规模越大，生产成本就越低，我们可以考虑的产品范围就越广。” 尹晓波说。
利用光将二氧化碳转化为有价值的产品在新加坡也很热门，新加坡政府将可持续材料研究列为优先，但不是因为该地区的主要制造业经济。
“新加坡的自然资源非常匮乏。”新加坡国立大学材料科学研究员、该校旗舰绿色能源项目主任刘斌表示。“如果我们能够将二氧化碳排放转化为大规模绿色燃料，这将解决新加坡的可持续性和能源进口问题，”她说。“政府的五年计划优先考虑这一领域，因此在材料方面的资金支持非常大。”
刘教授的实验室研究有机光催化材料，这种材料可以吸收阳光中的能量，并利用其驱动化学反应。该团队利用这些材料从二氧化碳中提取碳原子，从水分子中提取氢原子，然后将它们结合起来制成可作为燃料来源的碳氢化合物，例如绿色甲醇。
“一旦绿色甲醇的成本与石化甲醇相当，世界就会接受这种可再生能源。” 刘斌说。分析发现，绿色甲醇的主要成本来自从水中获取氢气。“为此，我们筹集资金建立了一个国家氢能创新中心，重点研究如何降低氢气成本，”她说。资金由国有投资公司淡马锡捐赠的 1500 万新元（1110 万美元）牵头。
新加坡政府还鼓励与其他国家顶尖研究人员开展合作。其中一项举措就是“卓越研究与技术企业校园计划”（CREATE）。刘斌说：“我们邀请国外优秀大学的研究人员来新加坡与我们合作，共同开发我们的研究领域和材料。”新近的 CREATE 计划专注于脱碳，获得了 9000 万新元的资助，用于吸引来自 11 所海外机构的研究人员，包括英国剑桥大学、德国慕尼黑工业大学、中国上海交通大学和加州大学伯克利分校。
“新加坡的特别之处在于它同时与东方和西方合作，这在当今的地缘政治中是不寻常的。” 刘斌说。“我们可以与最好的合作伙伴建立合作关系，与我们优势互补。”
东京大学和松本信州大学研究用于绿色氢气生产的金属基光催化材料的堂免一成（Kazunari Domen）说，政府的长期投入和对合作的大力支持也支撑了日本可持续材料研究的发展。
20 世纪 80 年代，当堂免开始研究水分解光催化剂时，他并没有想过实际应用。“起初，我只是觉得这很有趣。但自 2000 年以来，当生产绿色氢气以减少二氧化碳排放的必要性变得清晰时，我们的政府开始提供持续的、比较大的预算。”
大陆漂移
《自然指数》中材料科学研究领域10个领先的双边合作项目中，亚洲国家参与了9个。对于大多数泛大陆伙伴关系（美国和日本除外）而言，亚洲国家也是首要贡献者。中国-日本和中国-新加坡两对伙伴关系完全位于亚洲。
来源：Nature Index
2010 年，堂免获得了为期 10 年的资助以进行具有战略意义的研究，这是日本前所未有的资助期限。他说，与通常的五年项目相比，这产生了巨大的影响，“因为我们可以建立长期合作关系，包括与工业界的合作，以取得重要进展。”在项目开始时，该团队原本计划建立一个 1 平方米的太阳能绿色氢演示系统，但到 2021 年，堂免 和他的工业合作伙伴展示了一个 100 平方米的光催化水分解反应器阵列，用于生产绿色氢4。
使用更高性能催化剂的下一代系统正处在规划阶段，这一系统将在 3000 平方米的阵列上进行演示。目前该项目已进入第二阶段，并越来越多地得到行业合作的资助。
堂免指出，在他的职业生涯中，日本的光催化材料研究发生了变化。“我毕业的时候，日本只有四个光催化研究小组。”他说，“现在大约有 20 个，互相有合作也有竞争。”
马教授也同意，亚洲资金充足的绿色材料领域的研究人员数量已成为科研生产力的主要推动力。“随着该领域成为热门研究课题，许多人被吸引进来，这带来了合作的机会，也带来了竞争。”他说。“你必须更加努力——这是一种驱动力。”
绿色材料商业潜力导致其研究在该地区国际范围内的竞争力日益增强。例如，日本和中国之间的材料科学合作持续增长，是该地区第二大富有成效的伙伴关系。
人们敏锐地意识到，经济目标往往是跨境关系的基础，而且随着新兴技术从基础研究发展为重大商业前景，这些目标也可能影响国家间的关系。例如，日本政府正留意着中国主导新兴绿色产业市场的潜力，堂免说。“中国是我们非常好的合作伙伴，也是极好的竞争对手。”但即使强大的经济驱动力正在帮助推动亚洲的绿色技术发展，这场开发新产品的竞赛仍有可能有助于应对气候变化，为全世界带来环境获益。
James Mitchell Crow是一位自由撰稿人，居住在澳大利亚墨尔本。
1. Li, J. et al. Sci. Adv. 8, eabj9756 (2022).
2. Shen, L. et al. Nature Food 2, 434–441 (2021).
3. Shen, L., Lou, R., Aili, A., Huggins, C. J. & Yin, X. Adv. Energy Mater. 13, 2204393 (2023).
4. Nishiyama, H. et al. Nature 598, 304–307 (2021).
原文以Why Asia is leading the field in green materials为标题发布在2024年12月11日出版的《自然》增刊“自然指数-材料科学”上
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Nature | doi:10.1038/d41586-024-04000-1
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