實驗室

低溫制造晶體硅

用液態金屬用為溶劑可以在較低的溫度下制造晶體硅。

概述：在制造晶體硅的新技術中液態鎵不僅可以作為還原劑提煉出單質硅，還能作為溶劑讓硅溶解并結晶從而獲得晶體硅材料。

晶體硅材料不但是電子工業的基礎，也是太陽能光伏產業的基礎。但晶體硅的傳統制造工藝涉及到一系列耗能巨大的化學反應，有的步驟需要華氏2000多度的高溫。因此成本較高，而且對環境影響很大，當然還帶來了大量的碳排放。

密歇根大學的研究者找到了在較低溫度下制造晶體硅的方法。他們把含有四氯化硅的溶液鋪在液態金屬鎵之上，鎵中的電子可以把四氯化硅中的硅還原出來，這些單質硅則會溶解在液態鎵內。溶解的硅趨于飽和后，就會從溶液中析出并結晶，這樣在鎵的表面就會出現一層晶體硅。用這種方法制造晶體硅，僅需要華氏180度，這是家庭烤箱就可以達到溫度，因此大大降低了工藝流程的耗能。目前，研究者用這種方法還只能得到如果尺寸非常小的晶硅材料，但如果能夠獲得更大尺寸的，就有可能用于光伏電池等，從而降低目前高昂的光伏發電成本。

展望：研究人員為了使這種方法更加實用，正在進行多方面的改進，例如嘗試用其他低熔點的金屬合金充當溶劑。他們稱，最終的目標是開發出從沙子到晶硅一步到位的技術。他們也正在為此技術申請專利并尋求商業合作伙伴。

材料科學

仿生方法

提高LED效率

模仿螢火蟲腹部的鋸齒結構，可以增強LED發出的光。

概述：通過在現有的LED，即發光二極管頂部加上一層模仿螢火蟲腹部的小燈籠表面的鋸齒結構，比利時、法國和加拿大的研究者組成的團隊讓這種半導體裝置發出的光增加了55%。

發光二極管LED是極有前途的高效光源，但因其半導體材料與空氣的折射率相差甚遠，發出的光大多又反射回了LED內部，影響了整體效率。

研究者們意識到，螢火蟲所發出的生物光從昆蟲的腹部穿透角質層發射出來時面臨著與此相同的挑戰。因此他們研究了在巴拿馬發現的一種螢火蟲腹部的微觀結構，通過掃描電子顯微鏡的觀察，他們發現這種昆蟲在身體這個部位的外骨骼有鋸齒狀、交錯排列的鱗片通過計算機模擬和實驗室實驗均表明這些鱗片的銳利邊緣可以讓更多的光逃出。研究者們在標準的氮化鎵LED上添加一層類似的鋸齒材料，結果可以讓發光量增加55%。提高了LED的發光效率也就意味著可以節省更多的能量。

展望：加裝鋸齒狀鱗片可以在傳統的LED生產完成之后進行，因此該技術的一個優勢就是它可以覆蓋在幾乎每一個市售LED上。研究者預計在未來的幾年內LED制造業可以使用上這種技術。

鉆石測定蛋白結構

這項研究能幫助科學家更好地理解蛋白質在疾病中的作用。

概述：直接看到單個蛋白質的結構長期以來都是生物學家的夢想。但是到目前為止，科學家研究蛋白質分子結構的方法仍然很有限。X射線衍射法（X-ray diffraction）可以讓他們知道一些蛋白質在原子水平上的圖像。但是這種方法要求很多蛋白拷貝在固定晶格中結晶。不是所有蛋白質都能做到這點，而且這么做只能得到蛋白質形狀的平均結果。傳統的核磁共振成像法（MRI）不能看到小于幾微米的結構，因為這種方法使用的探測器沒有精確到能捕捉極小結構磁場信號的地步。之前有研究報道在納米水平上研究單分子的方法，但是該技術需要超低溫條件，無法用于活體細胞研究。

美國和德國的物理學家報道了兩項不同的研究。這兩項研究都是核磁共振成像（MRI）技術的重要進展。它們都應用了經特別改造的鉆石薄片，作為納米級別的磁場探測器。這些微型探測器可以闡明單個有機分子的結構。研究人員利用納米級的MRI也許有一天就能直接對蛋白質和其他分子進行原子水平上的成像。

為了找出適用于室溫下可對未經改造的單個分子進行成像的方法，美國和德國的梁個研究團隊將鉆石上的瑕疵作為微小磁場感應器。這兩個團隊報告他們可以探測到小至5納米的原子體積。他們同時用類似塑料的有機高分子PMMA進行測試，德國地團隊還檢測了油和其他液體中的分子。

展望：盡管研究還處于早期階段，研究人員有可能借此研究更好地了解蛋白質在疾病中所起的作用。因為目前的結果朝著可測定某種蛋白質三維結構的新技術又邁進了一步，甚至在蛋白質存于更大的生物結構時也能對之進行測定。這些研究可以幫助鑒別蛋白質之間的區別，還能發現那些和疾病有關的異常蛋白質。

腸道細菌預防糖尿病

來自雄性老鼠腸中的微生物改變了雌惟老鼠的激素養分泌水平和糖尿病患病率。

概述：研究人員將雌性老鼠暴露在健康雄性老鼠結腸中的細菌之下，結果成功使前者免于患上I型糖尿病。該研究還表明，這一療法改變了雌性老鼠的睪酮分泌水平，雌性老鼠的I型糖尿病患病率一般要高于雄性老鼠。

研究論文的資深作者、多倫多病童醫院和多倫多大學的遺傳學家和免疫學家杰恩丹斯卡（Jayne Danska）表示，研究中使用的老鼠品種有90%的幾率患上I型糖尿病。但如果將成年雄性老鼠腸道中的普通細菌送入幼年雌性老鼠的體內，就能將患病率降低至25%。雌性老鼠體內睪酮含量的變化并未達到一般成年雄性老鼠的水平，但由植入微生物所引發的睪酮含量上升，對于患病率的變化并未起到決定性作用。

丹斯卡和他的同事的研究表明，存在一個“共生反饋環”，其中動物的性別影響著內臟中的微生物群，而后者會促進性激素分泌量的提高。

展望：這一研究表明，腸道微生物群的變化同樣有可能用來治療自免疫疾病。但是，人類和老鼠存在差異。具備相同遺傳背景的雄性老鼠患上糖尿病的幾率是40%。而對于不同性別的人類，I型糖尿病并不存在這么大的差異。不過，性別差異在其他很多自免疫疾病。所以這項研究對多種自體免疫病都有啟發作用。

固態電解質

用固態電解質代替鋰池中的電解液，不但安全還能提高電池性能。

概述：研究者開發出了通過納米結構增強導電性的固體電解質，這種增強版本的電解質固體將有望被用于鋰離子電池來提高其性能表現。

目前，應用比較廣泛的鋰離子電池所使用的是液態的電解質。在液態電解質中，電流由電解質中的離子攜帶，在電極之間流動。但是這類電解質都是易燃的，因此電池存在安全問題。

使用固態電解質會更加安全，但是固體電解質的導電性不強，要使其導電性增強至滿足電池使用要求是很困難的。橡樹嶺國家實驗室的研究人員通過一種叫做納米構筑的化學方法，改變了鋰硫代磷酸鹽材料的內部結構。

新的納米結構使該材料的導電性提高了1000倍，足以在鋰離子電池中使用。

這種固態電解質的導電性不如液態電解質，但是研究人員表示，他們的方法之一就是可以把電解質部分做的極薄，來補償這一不足。盡管如此，這種電池的充電速度和提供的能量都不可能與液態電解質相比，但在許多應用中這并不是問題。比如電動汽車，憑借電池的絕對數量讓其很容易獲得足夠的動力。

固態電解質不僅能讓電池更安全，也讓電池可以使用能量更高的電極材料。所以，雖然這些電池提供的能量比今天的鋰離子電池低，但能夠儲存的總能量則要高得多。所以就可以使用小巧得多的電池，節約飛機上的空間，降低飛機負重，還能大大降低電動汽車的成本。

展望：有了固態電解質，就可以使用性能好但易燃的鋰電極，研究者正在繼續對這種電池進行實驗室測試，并申請專利。

用DNA取代硬盤

DNA可以作為存儲介質可以長期可靠地保存海量的數據。

概述：英國研究人員找到了一種新方法，可以用把計算機常用的文件格式編碼進DNA中。隨著DNA測序和合成的價格持續下降，研究人員估計，DNA這種生物存儲介質將在未來幾十年內變得具有競爭力。

DNA的信息存儲密度至少相當于現有介質的1000倍，但是直到最近，DNA合成的成本才降下來，而之前這一技術一直極為罕見。不過，傳統上的數字信息的長期存儲方式繼續暴露出很多問題。一般用來存儲檔案的磁帶在幾十年之后會變得脆弱，磁粉涂層會脫落。即便用來存儲信息的物理介質保持不變，存儲格式也總在變化。這意味著數據必須轉換成新格式，否則就將無法讀取。

相比之下，DNA可以長時間保持穩定。為了創建DNA文件，研究人員編制了軟件，將數字高電平和低電平轉換為DNA堿基。這一方法可以確保不會出現重復的堿基。據估計，目前用DNA進行數據編碼的成本為12400美元/MB，讀回原數據還要再加220美元/MB。如果DNA合成的費用如預期般地在未來十年內下降兩個數量級，那么DNA數據存儲的成本在不久之后就可能會低于磁帶存儲。

展望：目前成本太高，所以DNA數據存儲可能會最先用于不頻繁訪問的數據檔案。研究者希望開發出與DNA存儲相配套的整個硬件系統，從而把DNA應用于編寫存儲設備。