锂电池、钛合金……化工新材料背后的商业逻辑
*以下根据高山书院和荔枝播客联合制作播出的播客栏目《科学相对论》节选整理而成。
本期主播
孙亚飞 化学工程师、青年化学家 清华大学化学博士 出版译著《锈蚀》《诗意的原子》等 | |
程巍William 高山书院2019级学员 火箭派航天、达尔文细胞创始人 深潜技潜极限运动员 登山运动员，2017年登顶珠峰 美国FAA飞行员 |
化学的现状：
纯粹的原理vs温热的应用
William：
现在工业上、生活中的各种用品，尤其一些塑化材料，是越来越复杂，对化学的要求也越来越高。未来，化学家或者化学这个学科是更倾向于基础科研，还是现实应用？
孙亚飞：
我一直在讲，现在化学需要和计算机技术进行深度联系。因为长时间以来，化学的很多东西都缺乏原理性的解释。我们知道要怎么制造出一样东西，但未必知道它是怎么形成的。
举个最简单的例子，我们能用氢气和氧气合成水，但氢和氧之间的反应到底是怎么发生的，至今还没有一个非常精确的解释。只能通过一些手段证明反应过程中出现过什么，至于它背后完整的驱动流程，我们可以整理出一些底层的化学机理，但未必是真正能推导及预演这些反应的物理学机制。
William：
换句话说，未来化学的一部分工作是需要对这些黑盒问题进行解释。
孙亚飞：
对，最顶尖的一些化学家可能需要在这个方面努力。现阶段更多的化学家主要还是专注在应用层面，寻找更好的材料、更好的应用、更好的解决方案。因为化学牵涉到生物、环境、建筑、制药等方方面面，而这些工作分别用到的东西都不一样，这都需要化学家去解决问题，需求很大。
比如生物制药，现在癌症治疗需要采用靶向载体。首要目标是找到既适用于人体，同时又能对癌细胞单独起作用的分子。很多时候我们都不需要理解靶向载体在人体里具体怎么运作，把它的运作过程预测准。
尤其人体是一个极其复杂的环境，涉及很多生物相容性，或药物与载体之间的辅助力等问题，这些不是我们能从某个基础原理出发去解释/推导的事。我们只需要在应用层面上发现问题，然后在实测中解决问题，以实验结果为准。
William：
这也挺好，离产业更近，离挣钱也更近。您在新能源领域的项目也更注重转化和应用吗？
孙亚飞：
对，主要是希望我们学的东西能产生更大的社会价值。现在国家在讲“碳达峰”、“碳中和”，本质就是减少包括天然气在内的各种化石能源的使用，同时将目标转到太阳能、风能、水电，以及一些二次能源上。
我博士期间研究的是生物质能源：把秸秆转化为乙醇。这个过程不涉及开采原有的碳资源，只是利用了储存在废弃植物中、没被充分利用的“太阳能”。玉米、水稻、小麦的秸秆都可以用，也包括棕榈，它们的生产周期里涉及了大量可用的废弃物。
在所有新能源当中，以秸秆为原料的生物质新能源是唯一实现碳富集的。换句话说，它不仅不排碳，而且能减碳。
William：
早些年在西安那边，每年秋冬都会烧秸秆，城市简直看不到天。
孙亚飞：
是的，不仅能源浪费了，环境也污染了，赔了夫人又折兵。农民们以为这能给泥土带来钾肥，但事实上烧或不烧，秸秆都能变成钾肥，只不过铺在地上（等微生物分解）的话，下一轮庄稼不好养。
科技的进展：
明确的方向+商用的市场
William：
我本身做航天领域，跟化学关系非常大。从火箭的燃料、壳体以至任何一个零件，我们都在想方设法地提升两件事：一，燃料的经济效益，用比冲最大的燃料提供更强的推力；二，火箭的结构材料，用最轻且足够强的材料制作火箭。
您觉得一个明确、聚焦的需求和方向，对新材料领域是不是有很大的提升/推动作用？类似于国家把重点问题放到一个篮子里，集中力量突破。一旦解决问题，往往能产生极大的价值。
孙亚飞：
这一点，我有一则关于钛合金的故事可以分享。现在不管是航天，还是前段时间下潜到1万多米的奋斗者号，甚至家用门窗，很多领域都用到了钛合金，这个材料放到今天已经不再稀奇。
但往前倒推10~20年，尤其我们上学的时候，钛合金在中国还被称为“未来金属”，在高精尖的电子设备上能用上一点就很不错。但在美国和苏联，它们冷战时期就已经开发出全钛飞机、潜艇等设备。
这很不应该。因为中国的钛储量是世界第一，对钛又有着巨大需求，但自己偏偏做不出来。即便10年前我们的蛟龙号率先下潜到海下7000m，它所用的壳体、机械臂全都是进口的钛合金，我们只负责组装，想来有些心酸。当然，组装本身也是非常厉害的进步，因为它意味着我们吃透了这个设备。
但到了2020年，奋斗者号全用了国产的钛合金。不到10年的时间，这到底是怎么实现的？我查了很多资料，有很多事是回过头看才发现的。
其中一个关键契机是国家大剧院。它的建筑设计不仅用到2万多片钛合金板，而且都是曲面；这就意味着每一块钛合金的弧度不一样，必须定制化，而且其要价不菲；同时，杭州大剧院也要搞钛合金屋顶。
就在这样的背景下，有了需求，有了竞争，钛合金市场就慢慢起来了。
所以从民用市场开始发展，然后再拓展到一些特殊领域的应用，比如说深潜器，一直到奋斗号，中间已经经历了好几个阶段。从对钛合金一窍不通、全靠进口，到民间的低端应用，再到一些中高端的钛合金工艺，慢慢累积了熟悉产业的工程师和科学家，一步一步继续吃透这个产业。
William：
咱们国家现在在新材料领域的基础/发展是怎么样一个状况？
孙亚飞：
论整体发展，我们现在仍然处于被卡脖子的阶段，舆论也没有避讳这事儿。从2019年列出禁令清单开始，一些地方政府也在强调引进一些新材料产业，比如新一代芯片。除了硅芯片耳熟能详的3nm、5nm光刻技术，硅以外的新芯片材料也很重要。
William：
我一直也在想：硅芯片看着没路走了，如果换一个赛道，问题也许能迎来转机。
孙亚飞：
关于这个问题，我在去年一个材料课程里有讲到，硅到了很细小的尺度会出现量子分散：电子在不同的通道之间乱蹿（隧穿）。这时候如果我们能换到一个平面材料，在这个材料上电子被限定在一个平面上移动，那这就会是一个时机。
其中，石墨烯作为最著名的平面材料，石墨烯芯片成为了一个主要的研发方向。当然，它也有生产制备的难题，比如石墨经过包胶带的方式分离成一层一层石墨烯以后，放在一起会不会又变回石墨？化学家正在着手解决这个问题。
但实在解决不了也没关系，我们还有其他的备选材料，比如二硫化钼。有别于石墨烯的单层结构，它是由三层原子组成的平面材料。如果给它一个好的模板，二硫化钼可以以一层硫原子、一层钼原子、再一层硫原子的方式，非常精准且自动地排叠，同时不会像石墨烯那样重新聚在一起，很有机会成为下一代芯片的候选材料。
产业的布局：
场景发掘、资本引入、趋势判断
William：
您在为产业布局的时候，如何判断是否使用新的化学或材料技术？
以航天为例，几乎每一个环节都需要尽可能采用更好的材料。用现有的材料会受到很多制约，解决不了问题或占有不了市场。但如果每个环节都用新材料，这巨大的研发量又不切实际。面对其中一些新材料、新技术还不成熟的情况，是要大笔资金投入研发还是再等等观望一下？这种时候，战略该怎么走？
孙亚飞：
是的，锂电池行业过去也面临了类似情境。几年前我还经常和投资人讲：锂电池可能不是一个好方向，特别是用在汽车的动力电池，因为它还有种种需要解决的问题。
但显然，我被打脸了。我低估了资本在产业发展里的驱动力，尤其是他们砸钱把这件事做成的决心。原以为技术还不成熟，需要10年、20年甚至更长的时间去实现它，但实际上资本投资的目的就要为了让自己认定的未来方向加速实现。
这种模式在锂电池行业是体现得淋漓尽致，把锂电池发展加快了至少10年。这也是现在这个时代的一个特点。
过去化工、新材料领域最早是一些小作坊，或是大厂的人出来自己开始投入；成型后再通过资本运作和并购去发展业务。但现在很多情况是：一旦有了场景和诉求，资本就一起投入进来了。
所以现在我在新能源领域的基本逻辑是：先形成市场对绿电（在生产电力的过程中，二氧化碳排放量为零或趋近于零）的需求、把产业的形态确定下来，再考虑前端具体怎么发电的问题。
举个例子，今天很多业内人士，包括我，都还没有真正换上电动汽车，因为它确实还存在一些续航和充电站的实操问题。但尽管问题还没完全解决，但大家对电动汽车的趋势已经充分认可。
William：
前提是通过一个很好的应用切入点，达成一个资本的共识。
当中我也有一个启示，就是资本必须要避开一个误区，不能在一个新技术一上来就要求它更先进、受众更广。实际上大部分现实情况都是由一种未成熟、小众的新技术，逐渐替代另一种相对成熟、大众的旧技术，最终颠覆整个产业格局。克里森斯坦森曾说：颠覆式的创新技术在早期往往只是一个想解决一小部分人问题的一般技术。
但在成长的过程中，它会越来越完善，格局也越来越大，直到传统势力想追都赶不上。
孙亚飞：
这也涉及到创业者怎么选择产业的问题。
我自己选择这个行业，不是因为这个产业火、有很多热钱，而是因为看到它在这个环境和时代框架下的趋势。锂电池或新能源之所以会火，不是因为资本看中它，让它像风口上的猪一样飞起来，而是因为它本身就会飞，只不过资本一吹，它飞得更快了。
这时候，创业者自己也需要判断哪些东西真正具备价值。比如煤制油产业，前前后后投入了很多的钱，但我个人不太看好，资本现在也开始犹豫，因为它违背了一个基本的科学概念：煤的能量密度比石油低。
William：
认同，产业布局除了发掘场景、引入资本，主要也在于判断趋势。现在为产业布局的时候，我会比较厌烦用每个人都在用的现成材料或办法去解决眼前的问题，因为到最后会成为一片打价格战的红海。我们可能要反过来用第一性原理进行思考，去研发新材料和技术。
孙亚飞：
在我看来，真正顶尖技术很多时候其实在于整合。解决问题，不一定是追求某一个参数上更好的技术，也可以是追求更好的整合。比如苹果，每一个单项都不是顶尖的，但整合在一体却特别优秀。
一个成熟的产品/方案，一定是多维度、多参数共同起作用。哪怕是很多人看不上的外观设计，三大专利都要有它，因为它能影响到很多产品的性能和体验。
William：
我感觉太阳能、风能、新能源再加上锂电池，在“碳达峰”“碳中和”的驱使下，肯定会继续产生大量创新与应用。某种程度上，它们将把中国快速地带向下一代的科技中心。
音频剪辑 | 荔枝、向桃
整理丨邱施运
编辑丨朱珍
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