2017年1月27日

陳剛:發展綠能 解決全球暖化的迫切問題

作者/林宮玄(本刊副總編輯。)、文詠萱(本刊編輯。)




陳剛教授任職於美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)機械系,除了在工程上的研究,研究的主題也常牽涉到基礎科學,並發表在物理領域的權威期刊。陳院士的研究團隊主要專注在奈米尺度的能量傳輸、轉換與儲存。奈米(10-9 公尺)已經很接近材料中的原子間距(埃,10-10 公尺),許多應用於大尺度下的物理模型,譬如熱傳輸,在奈米尺度已不適用。目前元件很多已經小到奈米尺度,小尺度下的性質研究很重要,也跟能源課題相關。MIT 在科學與工程領域,是世界上屬一屬二的頂尖大學,而陳剛院士目前為MIT 機械系主任。藉由陳院士來臺參加2016 年中研院院士會議的機會,我們很榮幸訪問到陳剛院士,分享他的研究與MIT 教育理念。



談談麻省理工
科學月刊(以下簡稱科):您目前是麻省理工機械系的系主任,請問你們是否有特別舉辦一些招生活動?你們想找什麼樣的學生?

陳剛(以下簡稱陳):首先,MIT 大學部招生不是以系為主,是整個學校統一來招生。學生入學第一年是不分專業的。第二年學生想到哪個專業,都可以,每個院系不會拒絕想來系上的學生。至於招生,我們當然是想招最好的學生,學校有各種方法來吸引學生,譬如為了增加麻省理工的女生數量,我們每年夏天會舉辦「女性科技計畫(Women Technology Program)」活動,專門遴選全球優秀的高三女學生來參與4 周的活動(機械系選20 個;電機系選40 個)。因為很多高中女孩子可能對工程不是很瞭解,我們可以讓她們瞭解工程是什麼。

科:您提到MIT 第一年不分系,所以MIT 是以學院來招生嗎?有文科的學院嗎?

陳:是以整個學校招生。我們文科的學生不是很多,因為是麻省理工,是吧?主要是讓剛入學的學生,第一年有足夠的時間考慮他們要選的專業。

科:因此生命科學背景的學生,也有機會進入機械系嗎?

陳:我認識一個學生,本來想要學生物的,後來到了我們系。他們有很大的自由度,因為很多時候,他們高中時對哪一個院系具體在做什麼,並不是特別清楚。到了學校,他們有更好的瞭解以後,再做這個決定。MIT 第一年不分科系是傳統。我們的理念是,高中生並不完全知道想學什麼,而且有些學科他們也不是很瞭解。進了學校先瞭解以後,再跟高年級同學談,從各種管道讓他們做更好的決定。

科:臺灣的學制是大學一年級有必修課程,MIT 大學一年級有必修課程嗎?

陳:我們也有必修,但在各個領域中有很多選擇,包括人文、數理、生物這些方面。我們要求廣式(通識)教育。一年級的學生很多是修物理、化學、數學、生物這些方面。但一般在4 年之內,每一學期都有人文的教育。

科:臺灣的大學系所,還是有系的框架,也許MIT 的作法可以提供參考。請問你們系有做高中生推廣教育的工作嗎?

陳:剛才講我們有女性科技計畫,還有其他為中學生辦的活動。除此之外,部分教授自己夏天的時候會帶進高中生做一些實驗。不過我們教授都很忙,學校也有規定年齡問題,具體執行起來不容易。很多實驗,因為安全我們也不能把高中學生帶到實驗室,所以教授要花很大的勁。高中生能跟著做研究,對他們是一個很好的經歷。我經常收到高中生寄來e-mail問我們問題,很多時候我沒時間,就轉寄給我的學生們看他們有沒有興趣回答。有的學生就會說,這個高中生我來回答他一些問題。這種事情我們非常鼓勵,我們做教育的,希望能保持高中生的熱情,幫助他們解答一些問題,我們很樂意做這些事。我們也有高中生到學校,進入實驗室做實驗,甚至發表文章。

科:很多高中或是大學階段的學生,他們可能立志想要成為科學家或工程師。此時您會建議他們如何保持熱忱,往這個方向前進?

陳:這個問題我想是因人而異。我是幾個新生的導師,當中有個學生談到高中時參加很多工程之類的活動, 如FIRST 機器人競賽(FIRST Robotics Competition),這是由許多高中生,甚至國中、小學等學生自己組織學校團隊所參加的競賽。這個活動是從我們系開始,我們系上就有一門課教學生設計機器人,讓學生去參加比賽。FIRST 機器人競賽全球已有20 多萬學生參加比賽,很多我們的學生以前經常參加這個比賽。透過這類活動競賽,可以增加學生對工程、數理的興趣。

麻省理工學院著名的10 號大樓,畢業典禮等重要活動會在此舉行。(John Phelan)
研究工作與人才
科:您一開始做理論,現在也做實驗。發表許多基礎科學研究成果,但您又在機械工程學系任教。請問您對理論與實驗間,科學與工程間的界線,有什麼特別看法?

陳:我一開始的確是理論做的比較多,但實驗也有做一些。我訓練學生也是,讓他們大部分都要做理論也做實驗。我做了教授以後,一開始也是理論方面比較有建樹,但是隨著經驗的增長,覺得也必須做一些實驗。我覺得跨領域是美國一個非常大的優勢,特別是MIT。現在MIT 機械系的研究範圍包羅萬象,我們70 個教授的研究,包括了固體力學、流體力學、設計、製造、精密儀器控制機器人、能源、海洋、生物工程、生物醫學及微奈米技術。我們很強調做一個研究課題時,存在著什麼樣的基礎問題與應用背景。如果把基礎問題弄懂,我們就希望能在應用上有所貢獻。並不是所有的研究能做到應用,但我的信念是,如果基礎搞懂的話,就會留下很多有價值的工作,所以在基礎和應用方面,我們都儘量同時考慮。這一點在美國很普遍,譬如現在機械系有個教授對量子計算機的理論貢獻很大,他風趣的叫自己「量子力學工程師(quantum mechanics engineer)」。我們有做電池、太陽能及光伏(photovotaics)領域的,有做密度泛函理論(density function theory) 的, 連我自己都做這方面。因為現在的研究非常跨領域,如果大家只是侷限在自己以前的框框,很難有突破。我自己研究從基礎的,比如說密度泛函理論作為我們的工具,來做材料的設計,到材料的製造,到最後系統。同時我們也跟很多專家合作,進步也會快一些。

科:所以MIT 機械系在招聘教師時,如何考慮人選?

陳:招聘時有兩個重點,一個是最好的研究、最優秀的人才。另外一個,當然要考慮到我們在學科的發展方向,譬如在教學、系所裡的均衡發展。MIT 機械系從20 多年前,開始打破一些框框,現在我們的研究變得非常跨領域,大家也慢慢能接受。去年,系上有4個新進教授,一個是做力學,研究水凝膠(hydrogel)材料,他的材料做得特別優秀;另外一個是做電子材料生長,把石墨烯(graphene)長在別的材料上,對電子元件有很大的應用;還有做生物工程、流體力學等方面的。我們招聘的這幾個人,背景有的是物理,有的是機械,甚至還有電子材料、生物工程,我們能接受它,希望跨領域研究能創造對於社會有價值的研究成果。

科:您提到人選需要夠優秀,可以稍微再描述一下優秀的定義嗎?

陳:我們盡最大的努力評估,認為這些人最終會成為自己學術領域的領袖,這個就是我們的優秀。

科:您覺得現在的工作對您的意義是什麼?

陳:我自己覺得有意義的地方,一個在基礎方面,我們經常有一些新的發現。第二,我們的研究大部分有應用背景,事情做成的話,可以產生很好的社會價值。比如說熱系統效率,我們現在用的能量,只有40% 的利用率,60% 的能量都是作為熱扔掉。如果能把這些熱能一部分轉變成電能,對節能、減碳都是很好的。像我們把塑膠從不導熱變成很好的導熱體,我們也覺得有很大的前景。在環境方面,我們也做水的清潔處理。對我們來說,因為這些都關係到人類的持續發展,因此我們做起來也是很帶勁。

前衛的史塔特科技中心(Ray and Maria Stata Center),駐有計算機科學與人工智能實驗室、語言學系、哲學系等。(Robbie Shade, https://goo.gl/8nemmv)

科學研究的生活
科:在研究的過程中,很多學子在高中、大學對研究很有熱忱,然而實際進入了實驗室,有時候會遭遇挫折。您如何鼓勵遭受挫折的研究生度過這個時期?

陳:研究的挫折不是有時候,是大部分時間。我平常招收研究生的時候,我就跟學生說我有幾點要求:第一要有熱忱致力研究,第二要開放思維,第三點要會溝通。研究遭到挫折時,我覺得以上三點都有用。堅持動機的話,失敗就會再來。同時開放思維,一條路走不通,可能有別的路可以走。有時候山窮水盡疑無路,稍微變一點方向,可能失敗的會變成功。還有要跟別人交流,向別人交流的過程中,有時候你要跟別人解釋你的問題,可能自己就把問題想清楚了。像我們那邊有很多不同特長的人,經常跟別人交流,這個問題可能就會很快解決。不過做研究的話,大部分都會遇到挫折。每個學生畢業,要離開我的團隊的時候,我都讓他們做一個離開演說(exit talk),跟年輕的學生分享經驗。我自己都不知道。但是他最後還是做的非常成功,研究就是這樣。

科:全世界大部分的科學研究經費來自於政府。目前我看到不管美國、歐洲或現在的臺灣,希望納稅人的錢投入研發後,能產生對社會實質貢獻,譬如經濟成長或醫療進步。但科學研究的動機,主要是兩大類。第一是探索未知,滿足好奇心;第二是應用方面,以解決問題為導向。當您在寫科學研究計劃爭取經費時,您主要的動機是什麼?

陳:我的研究大部分是想解決問題,同時探詢這個問題裡面最基礎的東西,或者用什麼樣的基礎理念來解決這些問題。其實我們跟政府爭取研究經費,競爭很激烈。如果沒有很好的想法,也很難拿到經費。我們大部分還是問題導向,這並不是說我們應該放棄具有好奇心的研究,科學的進步是需要兩邊並重的。譬如最近發現重力波,幾十年的好奇終於得到證實,我覺得這種工作很重要,特別需要政府的支援。同時,我們做需要解決的實際問題,在初始的階段也需要支持。很多時候,大家應該知道做研究的過程中,很多是失敗的。我們做研究要有責任,要盡心去做。同時也要接受失敗,這種時候你不能說失敗的研究就是沒有對納稅人負責。研究如果都是成功的,那種研究可能就是雞毛蒜皮的,知道答案才去做研究。

科:您會如何說服預算審查單位,做研究會有失敗風險,但仍願意支持您的研究?

陳:我身為一個教授,最大的貢獻是在人才培養,一個研究即使失敗了,但是通過這個過程培養出了人才,知道怎麼做下一步的研究,知道如何問問題並解決。失敗再來,從中學到新的東西,這就是失敗為成功之母,因此我覺得研究的過程有一個很大的成果,就是人才培養。我們的產品就是人才,大家有時候不太看到這點。至於如何說服納稅人?我們申請計劃不是納稅人直接審查,而是由同行專家來評估你的申請。我們有新的想法時,評估的都是專家,他會覺得你的方法很有競爭力。關於納稅人,我覺得這是我們所有科學家的責任。我們需要向社會解釋我們的工作為什麼重要,為什麼要支持基礎研究。MIT的網頁做的很好,首頁上就是MIT的新聞,大部分都是最新的研究成果,但是用大眾化的語言去解釋,我覺得我們這方面很成功。同時,MIT的教授也經常被邀請到電視臺、電臺,或者各種公共講座,給不是專業人士的納稅人講解我們的研究。這個就是我們對社會的交待,一般民眾需要瞭解並在這方面受到一些教育,知道我們在做什麼,瞭解我們要做的研究,如果成功,對社會將會有很深遠的影響。

應對全球暖化
科:目前能源議題非常重要,包括石油危機、再生能源及綠色科技,我們希望能有效率的轉換能源。您是這方面的專家,您對未來的能源危機樂觀嗎?您認為未來有沒有辦法解決石油危機?

陳:現在大家最關心的不是近期內能源的缺乏,最大的動力是全球暖化。人類的活動大幅增加了大氣中的二氧化碳,所形成的溫室效應導致了全球暖化。我們有一個很大的目標,就是減少二氧化碳排放量,而綠能有這方面的優勢,不論太陽能或風能。這個挑戰是巨大的,我們目前需要的能量是10 幾個兆瓦,而太陽光,在地球上的能量每平方公尺只有100~1000瓦。雖然地球有這麼多空間,但是製造成本是個問題。如果整個電網全部是太陽能挑戰也很大,雲層來了,電能就沒了。怎麼樣儲存能量,也是很大的挑戰。6、7 年前,當時1 瓦的太陽能,總成本可能要花7 美金左右。現在已經降到只要1~2 塊美金之間。美國能源部的目標價格是降到1 塊美金,這樣就可以跟石油能源競爭。目前來看,在有些地方,太陽能已經可以和石油能源競爭。我覺得前景滿好的,但是真正的道路也是非常艱鉅曲折,這裡面還有很多問題需要解決。

科:雖然利用太陽能很乾淨。但是電池的儲能是重大的問題,從工程的角度來看,製造太陽能板及電池,也需要能源,對環境需要付出代價。總合起來,真的對地球是好的嗎?

陳:這個是一個很好的問題,我自己沒做非常詳細的研究,我有些印象,在製造太陽能板過程中需要的能量,可能要2 年才能回收,我不是很精確。看什麼材料,什麼過程,我覺得是科學家和工程師可以做貢獻的地
方。如果製造過程對環境有害的話,大家應該做這方面的研究,去改善這個過程。總的來說,我覺得太陽能光伏是一個對地球有利的,再考慮能耗及環境,應該是有效的方法。

科:您提到美國政府希望降低太陽能板的成本,請問成本能夠降低的原因是什麼?

陳:我們系裡的教授,做了很詳細的成本分析。任何產品都有兩種成本,一個是設備的資金,另外一個是製造過程的成本。譬如矽是太陽能板的材料,大家在努力減少矽在切片過程中的浪費。切的薄一點,用的材料少一點,可以減少成本。切的過程中,切線有一個厚度,那一點材料是浪費掉的。我們系有一個教授開了公司,創新出不需切割矽的製造過程來減少成本。目前來說,特別是在中國大陸,成本已經降低很多,基本上達到美國能源部的目標── 1 瓦電只需1 塊美金。當中的50 分錢是用於製造1 個太陽能板,另外50 分錢用在安裝。現在中國大陸已經做到將近50~70分美金的太陽能板價格,他們是靠經濟規模,大量製造來降低成本。至於安裝的成本則很難降低,需要政策幫助。從技術方面,可以降低價格;從政策方面,也可以降低價格,這需要大家共同努力。

(編按:特別感謝陳剛教授百忙之中,協助確認本訪問稿正確性。)

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