2014重大科技突破：10大革命性技术改变世界
发布时间：2014-12-24 10:18
发布者：李宽
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解决人类难题、改善地球环境、拯救人类生命——科学是一切创新和进步的基础。 预测哪些科学进展会改变世界，其实是一个不讨好的游戏，因为，谁知道未来会是什么样子？不过，每年都有一些重要研究，会让我们兴奋不已——比如，价格低廉，却又极其高效的基因编辑技术。 在接下来的文章里，你将会看到2014年的重要突破：对活细胞进行重编码、让实验动物变得透明、用声波给电子产品供电、用唾液发电、可以根据使用者视力自动调整画面的显示器、可以造出几乎没有电阻的材料的“原子积木”……让我们一起期待，这些技术会在未来几年，给世界带来怎样的改变。 “原子积木”搭建新奇材料 新材料的发现总是会促进人类文明的进步。这是推动人类社会从石器时代到青铜时代，再到铁器时代，最后来到硅时代的动力。 乐高积木是一种很有魔力的塑料玩具，它不断地激发出一个又一个新创意。乐高积木的塑料组件体积很小，能按照不同方式组合到一起，从而变成神奇的汽车、设计巧妙的城堡和许多其他结构。而今天，新一代材料科学家正受乐高积木的启发，将这种组合方式应用到纳米世界。 基因编辑更快更准更简单 20世纪70年代，科学家就找到了改变生物体基因组的方法，但这些方法不甚精确，并且难以用于量产。因此，很多基因修饰实验依然既困难又昂贵。 现在，一种名叫CRISPR的新技术，也许将彻底革新基因组编辑。这一技术源自细菌的免疫防御系统，比传统方法更快速、更便宜、更简单。商业化的CRISPR技术公司己经吸引到了大量资金。 可编程的细胞 假如人类能让体内的细胞按照我们的要求去运作，比如让它们适时地合成胰岛素，或去攻击肿瘤，那么许多健康问题将会迎刃而解。不过，实现这一愿望并非易事。现在普遍使用的方法是，利用病毒穿透细胞膜，对细胞进行干预，但这样会对细胞造成永久性的损坏。 2009年，麻省理工学院的研究人员在不经意间解决了这一技术难题。他们当时正尝试用显微水枪向细胞注入一些大分子和纳米材料。这些物质可以改变细胞的运作机制，同时又能保证细胞存活。化学工程师阿蒙·沙雷(Armon Sharei)发现，水枪的冲击使部分细胞的外形产生了短暂的畸变。 透明动物 “组织剥离”概念的提出已有100多年，但当时的方法，如使用溶剂浸泡等，效率十分低下，通常也会破坏标记细胞所需的荧光蛋白。为了找到更好的解决方法，当时还是研究生的格勒迪纳鲁，与已故神经免疫学家保罗·帕特森(PaulPatterson)实验室的同事一起，开展了相关研究。这些研究的目的是替换组织中的脂肪分子——正是脂肪使得组织不透明。不过，他们必须找到一种可替代脂肪的物质，用以支撑组织的结构。 最终，他们找到了合适的方法：首先对啮齿类动物实施安乐死，并将甲醛注入其体内，利用心脏将甲醛泵至动物全身；之后，剥去动物的皮肤，从血管注入一种名为丙烯酰胺单体(acrylamide monomers)的白色无味化合物。丙烯酰胺单体可在动物体内建立一个具有支撑作用的水凝胶网，取代动物组织内的脂肪，并使其呈现无色状态；两周之内，这种物质可以使一只小鼠变得通体透明。 液体发电 默罕默德·穆斯塔法·侯赛因(Muhammad Mustafa Hussain)，这位沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science and Technology)的教授，毕生致力于极微型装置的研发。他用一句话总结自己的研究：“小东西拉近了我们与未来的距离。”于是，当他在2010年着手研究高效、可再生的发电设备，为偏远地区的净水或医疗诊断提供充足的能源时，他首先考虑的因素就是小巧。不过，利用唾液驱动燃料电池，却是他在研究开始时完全没有想到的。 这个“吐口唾沫”的点子来自于当时侯赛因实验室的同事、当时正在攻读博士学位的贾丝廷·E·明克(Justine E.Mink，现为陶氏化学公司的研究员)。那时，明克正尝试开发一种可以植入人体，安放在胰腺附近监测糖尿病人血糖水平的微型装置。微生物燃料电池——这种通过向细菌提供有机物(唾液中也富含有机物)，利用细菌代谢产生电流的方法映入了她的眼帘。碰巧她和侯赛因的项目都可以利用这种方法，因此两人找来高导电性的石墨烯电极，在上面附着了唾液细菌，在一周之内，这些细菌产生了1微瓦(百万分之一瓦)的电量。 10大革命性技术：视力矫正显示屏 与麻省理工学院(维茨斯坦曾在这里工作)及加利福尼亚大学伯克利分校的同事们合作，维茨斯坦研制出了这种显示屏。在智能手机或平板电脑的标准高分辨率显示屏的基础上，他主要做了两项改动：一是打印一种低成本的、布满小孔的透明薄膜，覆盖在屏幕上；二是为智能手机或平板电脑编写算法，来判断用户相对于显示屏的位置，并根据他(她)的验光处方来调整投射的图像。当调整过的图像通过显示屏透明薄膜上的小孔阵列时，在软硬件的共同作用下，屏幕上会产生误差，正好同视力误差相抵消，在用户眼中形成清晰的画面。这种显示屏能为近视、远视、散光和其他更为复杂的视力问题提供相应的矫正。2014年8月，在加拿大温哥华举行的计算机图形图像特别兴趣组(Special Interest Group for Computer Graphics)年会上，研究人员首次展示了这项技术。 简易快速的纳米显微镜 具备纳米尺度分辨率的电子显微镜已经得到了广泛应用，但其价格动辄高达数百万美元，准备样品也非常麻烦。对于专业的研究型实验室来说，这样的状况还能够接受，但如果要快速扫描产品样品，来查看内置的微尺度水印呢？ 纽约大学物理学家戴维·格里尔(David Grier)和同事研制出的一种新型全息显微镜，就能解决这一问题。他们以商用蔡司(Zeiss)显微镜为基础，将它的白炽灯光源换成激光光源。激光照射到待观察的样品上，然后发生散射，形成由激光束和散射光互相干涉而成的三维图像(即全息图)，并由摄像机录下。 10大革命性技术：声波充电 利用超声波，可以通过空气远距离传输电力，效率远高于现有的无线充电技术，这将有助于我们彻底摆脱电线的限制。 储存热能的电池 基于热耦合效应的新型电池，可以将白白流失的热能转化为电能，这一技术拥有巨大的应用前景。 在工业生产中，每年都有100亿瓦特的电量以热能的形式被浪费掉了，而这些能量足够为1000万户家庭提供照明用电。通过热电效应(thermoelectric effect)，就可以利用温差发电，把这类热能转化为电能。但是，这样也只能利用其中的一部分。麻省理工学院的博士后研究员杨远(Yuan Yang)解释道：这是因为几十年来的研究都表明，需要达到500℃以上的温差，才能产生出具有实际使用价值的能量。不幸的是，据美国环境保护局(Environmental Protection Agency)的估计，在美国每年浪费的能量中，有三分之一都是以低于100℃的温度逃逸掉的。 新型聚合物“泰坦” 当化学家珍妮特·加西亚(Jeannette García)在最近用过的一个烧瓶里，发现了一块糖果大小的白色材料时，她压根不知道到自己做出了什么东西。这种材料紧紧附着在玻璃上，所以只能用锤子打碎烧瓶才将其取出。但是，当她再次用举起锤子，去敲打这块材料本身时，后者却毫发无损。“当意识到它的有多坚固时，我就知道必须要弄清楚我究竟做出了什么东西，”加西亚说。 加西亚是IBM公司阿尔马登研究中心的科学家。最终，她在几位同事的帮助之下解开了这个谜团。他们发现，这种令人吃惊的材料是一类新型热固性聚合物。这是一类极为坚固的塑料，能用于从智能手机到飞机机翼等众多产品中。虽然在全球每年生产的聚合物中，热固性材料就占到了三分之一，但是它们很难被回收利用。而加西亚发现的新材料(被称为“泰坦”)，是目前为止发现的第一种可回收的、具有工业级强度的热固性材料。 |
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