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解決人類難題、改善地球環(huán)境、拯救人類生命——科學(xué)是一切創(chuàng)新和進步的基礎(chǔ)。 預(yù)測哪些科學(xué)進展會改變世界，其實是一個不討好的游戲，因為，誰知道未來會是什么樣子？不過，每年都有一些重要研究，會讓我們興奮不已——比如，價格低廉，卻又極其高效的基因編輯技術(shù)。 在接下來的文章里，你將會看到2014年的重要突破：對活細胞進行重編碼、讓實驗動物變得透明、用聲波給電子產(chǎn)品供電、用唾液發(fā)電、可以根據(jù)使用者視力自動調(diào)整畫面的顯示器、可以造出幾乎沒有電阻的材料的“原子積木”……讓我們一起期待，這些技術(shù)會在未來幾年，給世界帶來怎樣的改變。 “原子積木”搭建新奇材料 新材料的發(fā)現(xiàn)總是會促進人類文明的進步。這是推動人類社會從石器時代到青銅時代，再到鐵器時代，最后來到硅時代的動力。 樂高積木是一種很有魔力的塑料玩具，它不斷地激發(fā)出一個又一個新創(chuàng)意。樂高積木的塑料組件體積很小，能按照不同方式組合到一起，從而變成神奇的汽車、設(shè)計巧妙的城堡和許多其他結(jié)構(gòu)。而今天，新一代材料科學(xué)家正受樂高積木的啟發(fā)，將這種組合方式應(yīng)用到納米世界。 基因編輯更快更準更簡單 20世紀70年代，科學(xué)家就找到了改變生物體基因組的方法，但這些方法不甚精確，并且難以用于量產(chǎn)。因此，很多基因修飾實驗依然既困難又昂貴。 現(xiàn)在，一種名叫CRISPR的新技術(shù)，也許將徹底革新基因組編輯。這一技術(shù)源自細菌的免疫防御系統(tǒng)，比傳統(tǒng)方法更快速、更便宜、更簡單。商業(yè)化的CRISPR技術(shù)公司己經(jīng)吸引到了大量資金。 可編程的細胞 假如人類能讓體內(nèi)的細胞按照我們的要求去運作，比如讓它們適時地合成胰島素，或去攻擊腫瘤，那么許多健康問題將會迎刃而解。不過，實現(xiàn)這一愿望并非易事。現(xiàn)在普遍使用的方法是，利用病毒穿透細胞膜，對細胞進行干預(yù)，但這樣會對細胞造成永久性的損壞。 2009年，麻省理工學(xué)院的研究人員在不經(jīng)意間解決了這一技術(shù)難題。他們當時正嘗試用顯微水槍向細胞注入一些大分子和納米材料。這些物質(zhì)可以改變細胞的運作機制，同時又能保證細胞存活。化學(xué)工程師阿蒙·沙雷(Armon Sharei)發(fā)現(xiàn)，水槍的沖擊使部分細胞的外形產(chǎn)生了短暫的畸變。 透明動物 “組織剝離”概念的提出已有100多年，但當時的方法，如使用溶劑浸泡等，效率十分低下，通常也會破壞標記細胞所需的熒光蛋白。為了找到更好的解決方法，當時還是研究生的格勒迪納魯，與已故神經(jīng)免疫學(xué)家保羅·帕特森(PaulPatterson)實驗室的同事一起，開展了相關(guān)研究。這些研究的目的是替換組織中的脂肪分子——正是脂肪使得組織不透明。不過，他們必須找到一種可替代脂肪的物質(zhì)，用以支撐組織的結(jié)構(gòu)。 最終，他們找到了合適的方法：首先對嚙齒類動物實施安樂死，并將甲醛注入其體內(nèi)，利用心臟將甲醛泵至動物全身；之后，剝?nèi)游锏钠つw，從血管注入一種名為丙烯酰胺單體(acrylamide monomers)的白色無味化合物。丙烯酰胺單體可在動物體內(nèi)建立一個具有支撐作用的水凝膠網(wǎng)，取代動物組織內(nèi)的脂肪，并使其呈現(xiàn)無色狀態(tài)；兩周之內(nèi)，這種物質(zhì)可以使一只小鼠變得通體透明。 液體發(fā)電 默罕默德·穆斯塔法·侯賽因(Muhammad Mustafa Hussain)，這位沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)(King Abdullah University of Science and Technology)的教授，畢生致力于極微型裝置的研發(fā)。他用一句話總結(jié)自己的研究：“小東西拉近了我們與未來的距離。”于是，當他在2010年著手研究高效、可再生的發(fā)電設(shè)備，為偏遠地區(qū)的凈水或醫(yī)療診斷提供充足的能源時，他首先考慮的因素就是小巧。不過，利用唾液驅(qū)動燃料電池，卻是他在研究開始時完全沒有想到的。 這個“吐口唾沫”的點子來自于當時侯賽因?qū)嶒炇业耐隆敃r正在攻讀博士學(xué)位的賈絲廷·E·明克(Justine E.Mink，現(xiàn)為陶氏化學(xué)公司的研究員)。那時，明克正嘗試開發(fā)一種可以植入人體，安放在胰腺附近監(jiān)測糖尿病人血糖水平的微型裝置。微生物燃料電池——這種通過向細菌提供有機物(唾液中也富含有機物)，利用細菌代謝產(chǎn)生電流的方法映入了她的眼簾。碰巧她和侯賽因的項目都可以利用這種方法，因此兩人找來高導(dǎo)電性的石墨烯電極，在上面附著了唾液細菌，在一周之內(nèi)，這些細菌產(chǎn)生了1微瓦(百萬分之一瓦)的電量。 10大革命性技術(shù)：視力矯正顯示屏 與麻省理工學(xué)院(維茨斯坦曾在這里工作)及加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的同事們合作，維茨斯坦研制出了這種顯示屏。在智能手機或平板電腦的標準高分辨率顯示屏的基礎(chǔ)上，他主要做了兩項改動：一是打印一種低成本的、布滿小孔的透明薄膜，覆蓋在屏幕上；二是為智能手機或平板電腦編寫算法，來判斷用戶相對于顯示屏的位置，并根據(jù)他(她)的驗光處方來調(diào)整投射的圖像。當調(diào)整過的圖像通過顯示屏透明薄膜上的小孔陣列時，在軟硬件的共同作用下，屏幕上會產(chǎn)生誤差，正好同視力誤差相抵消，在用戶眼中形成清晰的畫面。這種顯示屏能為近視、遠視、散光和其他更為復(fù)雜的視力問題提供相應(yīng)的矯正。2014年8月，在加拿大溫哥華舉行的計算機圖形圖像特別興趣組(Special Interest Group for Computer Graphics)年會上，研究人員首次展示了這項技術(shù)。 簡易快速的納米顯微鏡 具備納米尺度分辨率的電子顯微鏡已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但其價格動輒高達數(shù)百萬美元，準備樣品也非常麻煩。對于專業(yè)的研究型實驗室來說，這樣的狀況還能夠接受，但如果要快速掃描產(chǎn)品樣品，來查看內(nèi)置的微尺度水印呢？ 紐約大學(xué)物理學(xué)家戴維·格里爾(David Grier)和同事研制出的一種新型全息顯微鏡，就能解決這一問題。他們以商用蔡司(Zeiss)顯微鏡為基礎(chǔ)，將它的白熾燈光源換成激光光源。激光照射到待觀察的樣品上，然后發(fā)生散射，形成由激光束和散射光互相干涉而成的三維圖像(即全息圖)，并由攝像機錄下。 10大革命性技術(shù)：聲波充電 利用超聲波，可以通過空氣遠距離傳輸電力，效率遠高于現(xiàn)有的無線充電技術(shù)，這將有助于我們徹底擺脫電線的限制。 儲存熱能的電池 基于熱耦合效應(yīng)的新型電池，可以將白白流失的熱能轉(zhuǎn)化為電能，這一技術(shù)擁有巨大的應(yīng)用前景。 在工業(yè)生產(chǎn)中，每年都有100億瓦特的電量以熱能的形式被浪費掉了，而這些能量足夠為1000萬戶家庭提供照明用電。通過熱電效應(yīng)(thermoelectric effect)，就可以利用溫差發(fā)電，把這類熱能轉(zhuǎn)化為電能。但是，這樣也只能利用其中的一部分。麻省理工學(xué)院的博士后研究員楊遠(Yuan Yang)解釋道：這是因為幾十年來的研究都表明，需要達到500℃以上的溫差，才能產(chǎn)生出具有實際使用價值的能量。不幸的是，據(jù)美國環(huán)境保護局(Environmental Protection Agency)的估計，在美國每年浪費的能量中，有三分之一都是以低于100℃的溫度逃逸掉的。 新型聚合物“泰坦” 當化學(xué)家珍妮特·加西亞(Jeannette García)在最近用過的一個燒瓶里，發(fā)現(xiàn)了一塊糖果大小的白色材料時，她壓根不知道到自己做出了什么東西。這種材料緊緊附著在玻璃上，所以只能用錘子打碎燒瓶才將其取出。但是，當她再次用舉起錘子，去敲打這塊材料本身時，后者卻毫發(fā)無損。“當意識到它的有多堅固時，我就知道必須要弄清楚我究竟做出了什么東西，”加西亞說。 加西亞是IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)家。最終，她在幾位同事的幫助之下解開了這個謎團。他們發(fā)現(xiàn)，這種令人吃驚的材料是一類新型熱固性聚合物。這是一類極為堅固的塑料，能用于從智能手機到飛機機翼等眾多產(chǎn)品中。雖然在全球每年生產(chǎn)的聚合物中，熱固性材料就占到了三分之一，但是它們很難被回收利用。而加西亞發(fā)現(xiàn)的新材料(被稱為“泰坦”)，是目前為止發(fā)現(xiàn)的第一種可回收的、具有工業(yè)級強度的熱固性材料。 |
