2016年十大新興技術展示創新力量

◎ 本刊記者 許 恬

2016年十大新興技術展示創新力量

◎ 本刊記者 許 恬

芯片器官帶來生物學新視野

很多重要的生物學研究和實用藥物測試只能通過研究某個器官在工作時的“一舉一動”才能進行，一項新技術能在微芯片上培育功能性的人類器官模塊，這種“芯片器官”或許可滿足這一需要，使科學家能以前所未有的方式研究生理學機制和行為，為藥物研發提供機會。

2010年，哈佛大學威斯研究所的唐納德·因格貝爾利用微芯片制造技術與組織工程技術，將人類細胞與真空芯片結合，制造出“一片”能自由呼吸的“芯片肺臟”，這是第一款芯片器官。

私人企業聞風而動。由因格貝爾和威斯研究所其他同事領導的“模擬（Emulate）”公司與研究機構、業內公司和包括美國國防部先進研究計劃局（DAPRA）在內的政府部門締結了合作關系。迄今為止，已有多個組織報告成功制造出肺、肝、腎、心臟、骨髓以及眼角膜等“芯片器官”。此外，源自英國牛津大學的CN Bio機構研制出名為量子-B的肝臟芯片，可幫助科研人員找到治愈乙肝的方法。

每個芯片器官的尺寸大約與USB存儲器相仿。它由柔韌、半透明的聚合物制成。在芯片內部存在布局復雜的微流體管道，每根微流體管道的直徑不到1毫米，布滿取自目標器官的人類細胞。當營養物、血液及實驗藥物等測試用混合物被泵入管道時，這些細胞會復制活體器官的某些關鍵功能。

芯片內部的小室可以模擬某一器官組織的特殊結構，例如肺部微小的氣囊；然后非常精確地模擬人類的呼吸，讓空氣通過氣道。與此同時，可以將混合著細菌的血液泵入其他管道，科學家就可以觀察細胞如何對感染做出反應。這項技術將使科學家看到以前從未看到過的生物機制和生理行為。

由于“芯片器官”裝置對諸如細菌以及空氣污染產生的反應和活體器官相似，在未來將有可能會被用來測試藥物安全以及人體對環境的反應。若獲得監管部門批準，這些裝置能大大減少制藥檢查方面對活體動物實驗的依賴，同時也能減少制藥成本、縮短藥物推向市場的時間。

軍隊和生物防御研究人員也看到了芯片器官以不同方式挽救生命的潛力。模擬肺臟和其他類似的設備或許可以用于測試人體器官對生物、化學或放射武器的反應。但因為倫理問題，目前還無法進行類似的測試。

鈣鈦礦太陽能電池效率大增

目前支配世界市場的硅基太陽能電池面臨著三個瓶頸。利用鈣鈦礦來替代硅這種新的制造高效太陽能電池的方法，或許能一次解決這三個問題并且從陽光中獲得更多能量。

硅基光伏電池的第一個局限性在于：它們由一種很少在自然界中找到純凈成分的元素制成，盡管氧化硅并不短缺，但是，將其中的氧氣去除從而獲得純凈的硅會耗費大量能量。一般來說，制造商們在一個電弧爐內將氧化硅在1500攝氏度到2000攝氏度融化，此過程會排放不少溫室氣體，因此，制造硅基光伏電池的成本相對來說就比較高。

鈣鈦礦是一類范圍廣泛的材料，其主要由碳和氫制成的有機分子結合鉛等金屬以及氯等鹵族元素采用三位晶體結構制成，其制造成本更加低廉而且溫室氣體排放更少。制造商們可以將很多液態溶液混合，然后沉積出鈣鈦礦薄膜，不需要電弧爐，薄膜本身也非常輕。

這些屬性因此消除了硅太陽能電池的第二個限制：堅硬且笨重。平的以及大塊板狀的硅基光伏電池表現最出色，但是，這些太陽能電池板使得大規模安裝非常昂貴。

傳統硅基太陽能電池的第三個主要限制在于其能源轉化效率，15年來，其能效一直卡在25%。當鈣鈦礦首次問世時，其能效比硅基太陽能電池更低。2009年，由鉛、碘化物以及銨制成的鈣鈦礦太陽能電池只能將4%的太陽光轉化為電能，但是，鈣鈦礦太陽能電池的發展勢頭非常迅猛，部分原因在于鈣鈦礦有數千種不同的組成。

到2016年，鈣鈦礦太陽能電池的能效已經超過20%，7年之內提高了4倍，而且，過去兩年更是令人驚嘆地翻了一番。它們目前在商業上與光伏電池展開競爭，且可能遠遠沒有達到效率極限。雖然硅基太陽能電池技術已經非常成熟，但鈣鈦礦太陽能電池在不斷優化。

不過，我們也不能急著向它“托付終身”，想要實現鈣鈦礦電池的巨大商業價值，目前還有3個難題急需解決：首先鈣鈦礦有毒。鈣鈦礦電池材料含有鉛，這是一種對人體和環境有極大危害的元素。美國西北大學已研發出一種用錫代替鉛的鈣鈦礦太陽能電池，但轉換效率還只有6%。這種電池還處于研發初級階段，效率在未來還有提升空間；第二，鈣鈦礦電池中的鉛容易氧化揮發，而當晶體遇水時則易分解。如果我們使用鈣鈦礦電池發電，它很有可能滲出流到屋頂或土壤中，對環境產生威脅；第三，鈣鈦礦電池壽命不長。目前，壽命最長的鈣鈦礦太陽能電池可達到1000小時，而傳統晶硅電池壽命一般可達到25年。

盡管鈣鈦礦的未來依舊困難重重，但在能源緊缺的今天，人們不會放棄任何產生新能源的機會。與其他新興的電池技術攜手，鈣鈦礦太陽能電池或許也能改善缺乏可靠電力的12億人的生活水平。

系統代謝工程學變微生物為工廠

跟蹤我們每天購買和使用的產品，從塑料、衣物到化妝品和燃料，追本溯源，你將發現它們大都由來自于地下深處的物品制成。制造這些產品的工廠也或多或少由各種化學物質組成。而且，這些化學物質來自于主要由化石燃料提供能量的工廠，這些工廠能將石化產品變成其他各種化學物品。

用活的有機物代替石油化學產品、天然氣和煤來制造我們日常生活中所用的產品不僅對氣候和環境有利；對全球經濟來說也是一件好事。我們已經在農業領域使用這種方式。從長期來說，在制造擁有很多屬性的廉價材料方面，微生物擁有很大的潛力。我們可以摒棄目前從地下挖取原材料的方式，代之以在充滿了活體微生物的巨大生物反應器內“孵化”出這些材料。

要想基于生物的化學產品真正成為主流，它必須能在價格與性能方面，與傳統的化學產品相媲美。隨著系統代謝工程學技術的不斷進步，這一目標目前似乎可以實現。代謝工程學的基本宗旨是改變微生物的生物化學屬性，使其大部分能量和資源能被合成有用的化學產品。有時候，修改包括改變有機物的遺傳組成；有時候，修改包括改變微生物的代謝機制，這一點相比前者更加復雜。

隨著合成生物學、系統生物學和進化工程學取得進展，代謝工程學現在能創造出生物系統，制造以常規手段難以制取（因而十分昂貴）的化學物質。在最近一次成功的演示活動中，經特殊設定的微生物生成了一種可植入、能生物降解的聚合物PLGA，可用于外科縫合、移植和修復，也可以用作治療癌癥和感染的藥物輸送材料。此外，系統代謝工程學也被用來制造酵母菌株。

使用新陳代謝工程學能夠制造的化學物質范圍逐年加大。盡管這一技術目前還不能制造出所有石化產品制造的產品，但它有可能制造出無法用石油廉價制造的新奇化學物質，尤其是復雜的有機化合物，這些材料目前必須從植物或者動物中提取，因此“身價”很高、產量很小。

與化石燃料不同，由微生物制造的化學物質可回收且幾乎不會釋放溫室氣體，而且，有些物質甚至有潛力通過吸收二氧化碳或甲烷并將其整合成最終可被作為固體廢物埋掉的產品，從而減少大氣中二氧化碳的含量。

區塊鏈為數據“保駕護航”

數字貨幣比特幣背后的區塊鏈技術是一種分散式的公共交易分類賬，它不被任何企業或個人擁有或控制。任何用戶都可以讀取完整的區塊鏈。借用編制密碼的數字手段，資金每次從一個賬戶轉至另一個賬戶都會以一種安全和可證實的方式記錄下來。由于區塊鏈的眾多副本散布在全球各地，它被認為能夠有效防止篡改。

比特幣對執法和國際現金控制提出的挑戰已引發各界人士的廣泛討論，但是，區塊鏈分類賬的用途已經超出簡單的金錢交易范疇。

與互聯網一樣，區塊鏈是一個基于其他技術和應用的開放式全球基礎設施；而且，與互聯網一樣，區塊鏈使得交易能夠摒棄傳統的中間人，降低甚至消除交易成本。

通過使用區塊鏈，個人不需要銀行賬號就能安全地交換金錢或者購買保險，甚至能跨越國境。區塊鏈技術也讓陌生人能夠不通過律師就簽署簡單且可實施的合同。它使得人們可以直接出售房產、票務、股票以及其他資產而無需任何中間商。據估計，到2022年，區塊鏈技術每年可為銀行節約200多億美元的成本。

大約50家銀行已宣布了區塊鏈項目。2015年，投資人向那些利用區塊鏈做生意的初創公司砸了10億美金。包括微軟、IBM以及谷歌在內的技術巨頭們都有各自在進行的區塊鏈項目。很多公司著迷于區塊鏈技術在解決互聯網商業中的兩大頑疾——隱私和安全問題等方面的潛能。

因為區塊鏈交易被公鑰和私鑰記錄，這些密鑰都是一些普通人難以理解的長字符，當允許第三方核驗他們的數字交易時，人們能選擇保持匿名。而且，除了個人，機構也能使用區塊鏈存儲公共記錄以及有約束力的承諾。例如，英國劍橋大學的研究人員已經證明，如何要求制藥公司將臨床藥物測試中必要而詳細的描述添加到區塊鏈上。這將阻止該公司在測試沒有獲得預期效果的情況下改變條件，這是制藥公司的一個常用伎倆。

二維材料能提供科研新工具

新材料能改變世界。現在，一類具有巨大潛力的由單層原子構成的新材料正如雨后春筍般涌現。這個被稱為二維材料的新型材料家族在過去幾年間不斷壯大，現已包括了呈網格狀的碳（石墨烯）、硼（硼墨烯）、六方氮化硼（白色石墨烯）、鍺（鍺烯）、硅（硅烯）、磷（黑磷）以及錫（錫烯）等。更多二維材料已被證明在理論上是可行的，但迄今尚未被合成出來，比如由碳合成石墨炔（Graphynes）等。每一種材料都有令人興奮的特性，而且可以像搭樂高那樣組合起來形成更多的新材料。

二維材料領域的革命始于2004年。那一年，英國曼切斯特大學的科學家安德烈·蓋姆和科斯提亞·諾沃謝夫用透明膠帶撕出來石墨烯，讓全世界的科學家頂禮膜拜，而這兩位科學家也因此榮膺2010年諾貝爾獎。

石墨烯比鋼還堅固，比鉆石硬，非常輕、透明、柔軟，且擁有超高的導電性，因此，在量子計算、生物計算、光計算、碳納米管等硅計算替代者中脫穎而出。

盡管剛開始石墨烯比黃金還貴，但由于生產技術的不斷改進，石墨烯的價格已大幅下降。石墨烯現在非常便宜，可以將其整合到濾水設備內，從而使水脫鹽和污水處理更便宜。隨著成本不斷降低，石墨烯能被添加到用于鋪路的混合物或水泥內來清理城市，除了其堅固耐用之外，它也能從大氣中吸收一氧化碳和氧化氮。

其他二維材料可能也將跟隨石墨烯的發展步伐，隨著成本的不斷降低，用在包括電子設備在內的多個領域。例如，石墨烯已被用來制造能被縫入服裝內的柔性傳感器。當被添加到聚合物內時，石墨烯能夠提供更輕質的機翼以及汽車輪胎。

六方氮化硼已與石墨烯和氮化硼“聯姻”來改善鋰電池和超級電容的性能。通過將更多能量包裹于更小的空間內，這一材料能夠降低充電時間；延長電池的壽命并且降低智能手機和電動汽車的重量。

不管什么新材料進入環境，其是否有毒一直是人們關注的重點。當然，我們必須非常謹慎。科學家們已經對石墨烯是否有毒進行了長達10年的研究，目前為止，還沒有任何證據表明其對人們的健康或者環境有害，但是，研究仍在持續進行。

二維材料的發明為技術專家們制造出了多個功能強大的工具。科學家們和工程師們可以將光學、力學和電學屬性各異的材料混合在一起，制造出擁有更多功能的產品。20世紀的創造基石—鋼鐵和硅與這些新型材料相比也相形見絀。