經典科學人／陳剛：發展綠能 解決全球暖化的迫切問題

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。圖／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。圖／Robbie Shade@flickr (CC BY 2.0) 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。 本文由林宮玄（《科學月刊》副總編輯）、文詠萱（《科學月刊》編輯）執筆，科學月刊授權使用，謹此致謝。原文出處 創建於1970年的《科學月刊》，當年一群留美的台灣學生，以「引介新知、啟發民智」興辦，是台灣最老牌的科普雜誌，內容涵蓋數學、物理、化學、生命科學、地球科學、環境科學、工程科學。 訂閱 《科學月刊》 專欄屬作者個人意見，文責歸屬作者，本報提供意見交流平台，不代表本報立場。