2023年5月18日，天开高教科创园正式开园，为以实际行动助推新质生产力发展，助力天开高教科创园建设，今年5月18日起，天津新闻广播与民盟天津市委会联合推出“《观点访问》——对话民盟科学家”系列访谈，民盟盟员企业天津久日新材料股份有限公司提供支持。

　　↑杨全红教授（右）与主持人刘扬（左）

　　刘扬：每周六上午10:10点《我们爱科学》节目中准时与您相约。我是主持人刘扬。

　　刘扬：今天节目我们邀请到全国政协委员、民盟天津市委会委员、天津大学化工学院讲席教授、博士生导师、天津市先进碳与电化学储能重点实验室主任、天津市欧美同学会副会长、天津市科普大使、国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授杨全红。杨教授您好！

　　杨全红：主持人好，各位朋友，大家好！

　　↑杨全红教授

　　“21世纪神奇材料”石墨烯，将如何改变我们的生活

　　刘扬：超薄超轻型飞机、超薄可折叠手机、太空电梯……被誉为“21世纪神奇材料”的石墨烯以其神奇特性承载着人们的无数想象。杨教授一直就从事碳材料的研究，是国内比较早从事碳材料极限结构——石墨烯研究的团队之一，早在2015年，您就曾受邀在《人民日报》上发表了《梦想如何照进现实》的科普文章，介绍石墨烯的应用前景。节目开始，首先请杨教授通俗地讲讲，碳材料研究和我们产业发展与日常生活有着怎样的联系？石墨烯的应用前景都在哪些方面呢？

　　杨全红：我现在从事的研究主要有两方面，一是碳材料，另一个是以锂离子电池为代表的二次电池，而碳材料在二次电池的发展历程中扮演特别重要的角色。

　　碳材料是由碳一种元素构成的单质材料。我们经常说碳材料，可以上天入地，可以是航天飞机上的碳纤维材料，也可以是未来先进芯片技术中不可或缺的纳米尺度碳纳米管或者石墨烯材料。它的神奇之处就在于由碳一种元素构成的单质材料，结构可以千差万别，性质也可以南辕北辙。我们经常讲“钻石恒久远”，钻石的学名叫金刚石，是sp3杂化的碳材料；而锂离子电池最常用的负极材料，是层状的石墨材料，则是sp2杂化的碳材料。所谓sp2和 sp3，指的是碳元素可以通过不同的杂化形式构成结构完全不同的材料。sp3杂化的金刚石材料，是目前已知最硬的材料；而sp2杂化的石墨材料，却是层间可以滑移的材料，一般意义上讲强度不高。因此说碳材料很神奇。

　　我们在最近十几年间，主要探究碳材料在二次电池中的不同应用，希望用碳材料去推动未来电池的发展和产业化进程。所谓的二次电池就是可充放的电池，最常用的二次电池是大家熟悉的、也离不开的锂离子电池。我国的新能源汽车，逐渐从跟跑实现并跑，并已经逐渐实现领跑，其中的动力电池就是锂离子电池。

　　最近非常热也是非常重要的一个词是“碳中和”。在双碳背景下，储能技术非常重要。其中最为重要的电化学储能技术，就是锂离子电池，是重要的储能电池。“碳中和”的底层逻辑，是到2060年的时候，60-70%的一个发电量，是基于风光等可再生能源。风光可再生能源要有效利用，必须依赖先进的储能技术。而储能技术中非常关键的就是锂离子电池，还有目前发展迅速的钠离子电池。在锂、钠离子电池中，最关键的负极材料，都是碳材料。我们团队希望能够解决高能量密度的二次电池、或者快速充放的二次电池中的材料学的问题，特别是碳材料的问题。

　　刘扬：刚才通过杨教授的介绍，我们了解到您目前的研究既解决了能源问题，还解决了碳中和的问题。

　　杨全红：对，是的。用非常通俗的话来说，我们是以碳治碳，就是我们一般意义上所说的零碳排放。其实能源问题和碳中和问题是一个硬币的两个面，清洁能源问题解决了，碳中和问题自然也就解决了。

　　↑杨全红教授致力于以“碳”推动“未来电池”的研究工作

　　刘扬：杨教授是国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授、国务院特殊津贴获得者、天津市有突出贡献专家等，我们了解到杨教授的团队在电池研究中，提出了电池的“幸福指数”和“需求层次”的概念，是世界上最早开展“致密储能”研究的团队之一。能不能给我们解释一下什么是“致密储能”？电池的“幸福指数”和“需求层次”我们又该怎么理解呢？

　　杨全红：我们在两三年前提出了电池需求层次和幸福指数的概念。如果是一块“幸福”的电池，应该至少克服五重焦虑：容量焦虑、快充焦虑、安全焦虑、寿命焦虑、以及最高层次的空间焦虑。

　　我们的锂离子电池或者其它二次电池的使用过程中，总希望在最小的体积存储最多的能量。我们团队比较敏锐的关注到学术界在十多年前还不太关注的体积能量密度的问题，希望材料的研发能让锂离子电池的体积能量密度可以做到最高，也就是所谓的致密储能。实际上比亚迪公司做的刀片电池，以及宁德时代做的麒麟电池，其中关键的一点，就是希望把电池的体积能量密度做到很高。他们是从电池结构的角度实现致密储能；而我们回到材料层次，希望通过材料设计，从源头上提高电池的体积能量密度，实现致密储能。

　　↑杨全红教授在学术会议上解读致密储能

　　山西面食、爆米花、小米粥……

　　他的科研灵感来自香喷喷的舌尖美食

　　刘扬： “科学家要从生活中发现真正的学术问题，捅破那层窗户纸，从而打开一扇窗，望见更远的风景。”这是您常挂在嘴边的一句话。您曾获国家技术发明二等奖，您当时研究的是什么项目？科研的灵感来自哪里呢？

　　杨全红：我们的很多科研灵感都来自于生活，比如说我们获得国家技术发明二等奖的项目是“用于锂离子电池的石墨和石墨烯材料”，我们团队主要是在用于锂电池的石墨烯材料方面取得很大进展，在世界上首先发明了用于锂离子电池的石墨烯导电剂。

　　石墨烯导电剂的灵感来自于我家乡的山西面食。一般在锂离子电池中，导电剂一般都是炭黑材料，我们用石墨烯取代了炭黑。最初的灵感，是想到了疙瘩汤和片汤的不同。片汤很容易熟；而对于疙瘩汤，即便加热很长时间，最里边可能还是实面疙瘩。将石墨烯比作片汤中的面片，而炭黑比作疙瘩汤中的面疙瘩，可以想象，石墨烯导电剂的导电效率要远高于炭黑，这是我们提出石墨烯导电剂的最初灵感所在。

　　我们从爆米花的制作过程获得灵感，发明了石墨烯的负压低温解离方法，将石墨解离制备石墨烯的温度降低了900度。石墨片层通过氧化，使片层上增加含氧官能团，在1100度下使石墨烯片上的氧实现气化，利用氧气压力将片层撑开，实现石墨烯剥离制备；这是因为根据理想气体方程，在1100度下才可能有足够的“由内而外”的内压力把片层撑开。我们偶然间想到制作爆米花过程中，实际上就是给它一个负压系统，通过抽真空到一定程度以后，利用“由外而内”的力把玉米粒撑开，从而制得爆米花。从这儿我们获得灵感，给氧化石墨一个负压，“由外而内”的力辅以“由内而外”的力，形成片层内外大的压力差，在200度很低的温度下，就可以把石墨片层撑开。

　　另外一个很有趣的工作，灵感来自北方人熬小米粥的时候表面上的一层稀饭皮儿；根据相似的原理，我们发明了石墨烯薄膜的气液界面成膜方法。我们通过加热氧化石墨烯溶液，在它的表面上可以形成像稀饭皮一样的膜。其实我们很多研究，都是从生活中获得灵感。我经常跟学生说，实际上很深奥的科学，都可以去从生活当中找到相似形。

　　碳材料里边非常有意思的碳60分子，学名叫做富勒烯，和宏观世界的黑白相间的足球长得一模一样，都是由20个六元环和12个五元环拼接而成的，是一个纳米尺度的足球。从科学层面又是一个完美对称的分子，是美得让科学家们不相信其真实存在却实实在在存在的分子。科学世界当中这种巧合是很多的，很多重要的发明创造，很多它都是从生活中来，然后回到生活中去。

　　↑杨全红教授做学术报告

　　刘扬：杨教授不光是位科学家还是一位诗人，您有一七言绝句《碳之缘》是这样写的“少年不解碳之奇，际会修来半百依。前浪清风拂玉面，乘帆欲破几重谜。”能不能跟我们讲讲您和碳结缘的故事？为何会写下这首诗句呢？

　　杨全红：说到与碳结缘，把我的思绪拉回到30年前了。本科毕业的时候选读研专业的时候，偶然间的一次跟朋友聊天，谈到了刚才提到的碳60分子，完全由碳元素组成的一个球形结构，从每个角度去看，它都是美轮美奂的一种球形分子。我又翻阅了一些碳60的文章以后，我就觉得科学还可以如此之美，可以说是对科学之美的这种向往、这种冲动，让我和碳结缘。后来的研究历程也表明我的选择是对的，碳材料确实非常有趣，而且非常有用，越做越有意思。

　　刘扬：杨教授的团队可以说是人才济济，而且杨教授也是特别重视人才培养，那么您的团队核心理念是什么？给我们介绍一下好吗？  

　　杨全红：我们团队的核心理念是简单的两句话，“做有用的研究，讲有趣的故事”，做有用的研究的意思就是说我们做的所有研究，一定要有用，有明确的应用背景。比如说我们做的二次电池研究，不能只是纸上谈兵，我们要让电池跑起来，这应该是我们做研究的其中的一个核心理念。

　　另外一个核心理念，我们还要讲有趣的故事，得把有用的研究当中的科学问题讲清楚。我一直认为只要是真正的科学问题，一定是非常有趣的。一直以来跟同学们说，我们一定是要两手都要硬，我们既要让它真正有用，同时让它从科学上一定要有趣。

　　↑杨全红教授荣获天津大学首届求是研究生导师

　　简单造就神奇，他把科学研究变得浪漫非凡 

　　刘扬：杨教授的团队拥有中国和国际授权发明专利60余件，多项技术实现转让。创立科技企业，开发锂离子电池“微米硅碳”负极，建设了全球首条500吨级微米硅碳产线，为千亿元规模的锂动力电池产业提供服务；建立“筛分型碳”结构模型，刷新钠离子电池商业负极材料容量的世界记录。为此杨教授的团队以及其本人也获得了学术界的肯定。那么，您的这些科研成果是如何对标新质生产力的，在产学研结合方面都有哪些具体计划和目标？

　　杨全红：习近平总书记去年9月视察黑龙江的时候提出“新质生产力”。我理解，新质生产力强调的是原始创新驱动的产业创新。今年李强总理的两会报告中，特别提到了在过去的十多年中的我国产业“新三样”，包括新能源汽车、锂离子电池，还有光伏电池。实际上这个产业新三样，就是新质生产力的代表，都和新能源产业的发展密不可分。

　　在产业新三样里边，核心是锂离子电池为代表的二次电池，新能源汽车的基础是锂离子动力电池，而光伏产业发展的前提则是锂离子储能电池。在过去的十几年中，之所以我们中国在锂离子电池产业中，能从跟跑到并跑直至领跑，实际上最关键的一个点，是通过基础科研创新，驱动产业变革和迭代。我一直跟团队讲，做电池的人应该说是做科研的人里边很幸福的一群人，我们的科研创新跟产业变革风雨同舟，跟新质生产力的发展息息相关。

　　因此我们团队的使命，或者说一个愿景，是希望通过我们的研发，能在未来电池的产业链里边，产生出一个或者两个有节点性的贡献。我们的口号是要做有用的研究，是期待能给我们的整个未来电池发展带来一些变化。我们团队的任何一个科研选题，都是这样的一个目标。

　　↑杨全红教授团队合影

　　刘扬：您从2007年起在天津大学开设面向全体本科生的创新课《简单造就神奇：从富勒烯、碳纳米管到石墨烯》，这门课迅速成为最受欢迎的本科公选课之一。听说在这门课中，“梦想照进现实”、“简单造就神奇”，以及“科学嗅觉”、“科研味觉”是主题词。在天津大学，熟悉杨教授的师生都会被他身上的“浪漫”气息感染。大家评价您，把最实事求是的科学研究做得浪漫非凡；把最严谨治学的课堂讲得妙趣横生。您是如何看待这个评价的？碳材料和石墨烯也能很浪漫吗？

　　杨全红：非常感谢我们的同学能给我这么高的一个评价，我一直认为科学和艺术是相通的。几种重要的碳材料其发现历程实际上都是很浪漫的。在我的课上希望给同学们传递的就是这种科学之美和科学发现之美。

　　我经常讲三种碳纳米材料体现了三种范式的发现之美。碳60分子的发现是“意外之美”，意外之美的那种感觉，是“疏忽间世外的精灵飘落在人间”。对于碳60的发现，其实所有的人从来没有想到竟然有这么完美对称的分子可以诞生在人间。

　　碳纳米管的发现，是一种“失落之美”。在碳纳米管的发现历程当中，很多人都有一种视而不见的遗憾。也就是说，很多人其实在电镜下面看见过碳纳米管，但是没有敏锐地意识到这是一种新的纳米材料。所谓看见了，但没有看到。“失落之美”的画面感是“一不小心掀开纱帘，窗外是分外妖娆的另一番世界”。

　　石墨烯的发现也很浪漫，是一种“追寻之美”。它跟碳60、碳纳米管的整个发现历程不一样。对石墨烯而言，科学家的目标非常明确，就是要把多层相叠的石墨剥离成单层。这个过程花了160年的时间。石墨烯的发现，是那种“八千里路云追月”的意境美。大家都知道，石墨烯是用撕胶带的方法将成千上万层的石墨剥离成单层石墨烯的，很难想象是通过一种非常简单、甚至是简陋的方式实现这么一个看起来遥不可及的目标的。

　　顺便和大家提一下，石墨烯只有0.335个纳米厚，富勒烯的直径也只有0.7纳米，碳纳米管的直径也只有1纳米左右，一个纳米是10的-9次方米，这样的一个纳米世界蕴含着很多的科学之美。

　　我希望这门课去跟大家传递或者讨论一些科学精神，希望大家知道科学是什么，科学研究是怎么回事，科学家是一群怎样的人。通过我们这门课，同学们都很认同我的一个理念，科学是非常有趣的，科学研究就是一种“简单造就神奇”的行为艺术，而科学家就是创造神奇的一群人。在我们的课程大作业中，同学们可以用诗词歌赋去把他们对科学的理解，对科学研究的向往描述出来。

　　↑杨全红教授的全校性创新课《简单造就神奇：从富勒烯、碳纳米管到石墨烯》

　　刘扬：杨教授在给工科的学生们传授知识的同时，通过用诗词歌赋的形式来写作业，又提升了工科学生的这种人文素质。接下来我们想请杨教授跟我们聊一聊您和民盟结缘的故事，您觉得加入民盟之后，对您的科研还有科创道路以及育人道路都会有一个什么样的影响呢？

　　杨全红：民盟的先贤都是很有社会责任感，很有历史使命感的，是我们崇敬的前辈，其中很多是名满华夏、享誉国内外的老科学家。2008年，我刚刚从国外回母校任教不久，一位民盟的老教授和我聊天的时候，问我说愿意不愿意加入民盟？我当时可以说是脱口而出，马上就同意了，希望可以近距离地向民盟先贤学习，做一个社会责任感满满的科研工作者。加入民盟以后有了更强的社会责任感，通过参政议政以及做好本职工作，更好地去实现自己一直以来应该承担的一些社会责任。

　　刘扬：我们常说少年强则国强，我们还想问问您，我们应该如何从小培养少年儿童的一些科学素养？

　　杨全红：我来现身说法吧。从小我对我女儿的要求其实很简单，我希望她热爱读书，而且一定要学会如何读书。读书可以让孩子看到外面的世界，拓宽孩子的知识面；更加重要的一点，读书可以让孩子插上想象的翅膀；当然最重要的一点，读书可以让孩子心胸开阔。当然读书也是培养科学素养的重要手段，读书会让孩子们感受到，科学的神奇、科学家的伟大。科学研究在探求真理的同时又是非常有趣的，是非常有温度的一种行为艺术。我希望孩子们从小都能够热爱科学！  

　　刘扬：感谢杨教授做客节目，也希望未来我们能够采访到更多的民盟科学家，分享科学家故事，共同探究科学精神。我是主持人刘扬，代表节目监制朱旭、编辑孙颖刘扬，感谢大家的收听。再会。