創新科技 改變世界

劉波

“原子積木”搭建新奇材料：樂高積木的科學暢想

材料科學家將樂高積木這種組合方式應用到納米世界。積木組件就是一些層狀材料，最薄可以達到僅有一層原子的厚度，可以按照設計好的結構，以精確的順序一層一層地疊加到一起。

這些突破性的研究要從石墨烯開始。過去10年間，研究人員利用膠帶從塊狀石墨頂層剝離出一片片僅1個原子厚的晶體，并發現了其他幾十種可以用這個方法剝離的塊狀晶體，例如云母。研究人員可以將這些晶體層非常穩定地疊放在一起。當它們相互靠得非常近時，原子間會通過微弱的范德華力相互吸引。這個力不夠大，無法將多個原子或分子聚合在一起，但因為這些二維晶體層的原子非常密集，彼此之間的距離也非常近，因此這些力累加到一起，會變得很強大。

科學家們相信這種獨一無二的精密組合方式，能夠制造出具備前所未有的電學和光學性能的物質。

基因組編輯：更快、更準、更簡單

自找到改變生物體基因組的方法以來，這種方法就備受大家關注。但是，早期的基因改造方法有兩大局限：不甚精確，并且難以量產。現在，一種名叫CRISPR的新技術，將徹底革新基因組編輯。

CRISPR是“成簇、規律間隔的短回文重復序列”的縮寫。利用這種序列，細菌可以對侵襲過它的病毒產生“記憶”。CRISPR 是細菌的“武器”，它能“搗碎”入侵細菌的病毒的DNA。利用這套工具，可以改變想要修飾的DNA序列。和從前的基因組編輯方法不同，CRISPR 系統采用一個通用酶——Cas9 來執行剪輯。研究人員需要做的，就是制造一條gRNA來引導Cas9，而合成一條RNA，遠比合成一個酶容易得多。科學家們相信，這種方法能非常輕易地改變植物、昆蟲和人類的基因組，比傳統方法更快速、更便宜、更簡單。但這或許也會帶來一場倫理紛爭。

可編程的細胞：

上帝之手的創作

基因組編輯的簡單化讓許多疾病不再恐怖，如果讓體內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。

顯微流控制領域的專家們開發出一種以硅和玻璃為材質的微芯片，這種芯片的表面預先蝕刻了供細胞流動的通道，隨著細胞流動的方向，通道逐漸收窄，直到細胞無法繼續向前行進。此時被卡住的細胞因受擠壓而產生形變，細胞膜上便會出現小孔。這些小孔的直徑，足夠許多可改變細胞運作的介質通過，如蛋白質、核酸、碳納米管等。這項技術甚至能將介質成功引入脆弱的干細胞和免疫細胞中，而這些細胞無法經受以前那種擠壓方式的摧殘。

透明動物：

透視生命本質

實驗動物或組織通體透明，那將大大地提高許多生物醫學實驗的效率。組織之所以不透明是因為脂肪的存在，如果能找到一種替代脂肪的物質，那么組織就會變得透明。現在科學家們已經發現了這種方法。首先對嚙齒類動物實施安樂死，并將甲醛注入其體內，利用心臟將甲醛泵至動物全身；之后，剝去動物的皮膚，從血管注入一種名為丙烯酰胺單體的白色無味化合物。丙烯酰胺單體可在動物體內建立一個具有支撐作用的水凝膠網，取代動物組織內的脂肪，并使其呈現無色狀態；兩周之內，這種物質可以使一只小鼠變得通體透明。

透明器官可降低實驗中人為誤差的概率，另一方面可提高實驗效率，豐富實驗數據，同時減少實驗動物的使用數量。擁有這項技術，就好比擁有了洞察世間萬物的“透視眼”。

液體發電：唾液也能成為新能源

科學家們在研制一種微型微生物燃料電池時發現，這種通過向細菌提供有機物，利用細菌代謝產生電流的方法非常有效。唾液中富含有機物，因此利用高導電性的石墨烯電極，在上面附著了唾液細菌，在一周之內，這些細菌產生了1微瓦（百萬分之一瓦）的電量。雖然1微瓦看起來微不足道，卻足以驅動諸如芯片、診斷工具、或是糖尿病監測儀這樣的微型設備。

視力矯正顯示屏：

為顯示屏“戴上眼鏡”

研發者在智能手機或平板電腦等高分辨率顯示屏的基礎上，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，并根據驗光處方來調整投射的圖像。當調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、散光和其他更為復雜的視力問題提供相應的矯正。研究人員還計劃開發一種滑動條，用于手動調整顯示屏的焦距。或許以后視力有問題的人將不再需要眼鏡。

納米顯微鏡：

微觀世界不再神秘

一種新型的全息顯微鏡，可以拍攝納米粒子的納米電子顯微鏡能快速檢測藥物、爆炸物中的分子信息。設想一下，涂料桶或洗發水瓶中每滴液體都含有標注了產品生產信息的微粒——就像指紋一樣。

這種全息顯微鏡以商用Zeiss顯微鏡為基礎，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。它能夠快速求解描述光在球體上散射的方程中的未知參數。這些參數中包含了關于散射物體的所有信息。它具有納米級的分辨率，而成本只有其他電子顯微鏡的十分之一。

聲波充電：擺脫電線的纏繞

聲音其實就是振動的空氣粒子，使用壓電轉換器從空氣中獲取振動能量，就可以將機械能轉化為電能，而安全、安靜且高能的超聲波似乎就是個完美的選擇。

uBeam發射機相當于一臺定向揚聲器，可以將超聲波聚焦，產生一個能量“焦點”，與電子設備相連的接收器負責接收這股能量，并將其轉化為電能。聲波充電系統不僅能讓我們不用再攜帶目前各式各樣且互不兼容的電線和充電器，還可以保證移動設備在進行高耗電操作時不會用盡電量。而擺脫電線的束縛，還能帶來嶄新的室內裝修設計思路。此外，目前載有沉重輸電線纜的飛機、汽車、太空飛船等運載工具，重量也可以大幅降低。

儲存熱能的電池：又一新型電池

能源危機真的是未來世界的頭號難題。每年因為熱電效應浪費掉的能量著實讓人心痛。而目前一種溫差僅為理論值1/10（低至50℃）的發電技術則可以解決這種浪費。該技術的關鍵是利用熱耦效應。在這個過程中，材料整體的溫度隨電壓而變化，而非僅在電池中產生溫度差。研究團隊使用不帶電的電池芯，配以銅電極，在高溫時進行充電，然后再讓它們冷卻——神奇的事情發生了，電池的放電電壓比為它們充電時所用的電壓更高。換句話說，用于加熱電池的能量被電池以電能的形式收集了起來。

當然，這項技術還需要進一步完善，相信在不久的將來，以往白白浪費掉的熱能都會轉化為電能，或許能源危機也會得到緩解。

新型聚合物“泰坦”：

環保、高強度、自我愈合、可回收

當美國IBM公司的化學家加西亞在剛用過的一個燒瓶里，發現了一塊糖果大小的白色材料時，她壓根不知道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。但當她再次舉起錘子，去敲打這塊材料本身時，后者卻毫發無損。

這是一類新型熱固性聚合物——“泰坦”。它是一種極為堅固的塑料，是目前為止發現的第一種可回收的、具有工業級強度的熱固性材料。這種材料還有第二種形態，在低溫時，它會呈現出可自愈合、類似凝膠的形態——“海德魯”。如此特殊的塑料注定了它將會有不平凡的應用領域——給藥設備、黏結劑、3D打印、水凈化等。