劉波

“原子積木”搭建新奇材料：樂(lè)高積木的科學(xué)暢想

材料科學(xué)家將樂(lè)高積木這種組合方式應(yīng)用到納米世界。積木組件就是一些層狀材料，最薄可以達(dá)到僅有一層原子的厚度，可以按照設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)，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(kāi)始。過(guò)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(gè)原子厚的晶體，并發(fā)現(xiàn)了其他幾十種可以用這個(gè)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(wěn)定地疊放在一起。當(dāng)它們相互靠得非常近時(shí)，原子間會(huì)通過(guò)微弱的范德華力相互吸引。這個(gè)力不夠大，無(wú)法將多個(gè)原子或分子聚合在一起，但因?yàn)檫@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(huì)變得很強(qiáng)大。

科學(xué)家們相信這種獨(dú)一無(wú)二的精密組合方式，能夠制造出具備前所未有的電學(xué)和光學(xué)性能的物質(zhì)。

基因組編輯：更快、更準(zhǔn)、更簡(jiǎn)單

自找到改變生物體基因組的方法以來(lái)，這種方法就備受大家關(guān)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(chǎn)?，F(xiàn)在，一種名叫CRISPR的新技術(shù)，將徹底革新基因組編輯。

CRISPR是“成簇、規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列”的縮寫。利用這種序列，細(xì)菌可以對(duì)侵襲過(guò)它的病毒產(chǎn)生“記憶”。CRISPR 是細(xì)菌的“武器”，它能“搗碎”入侵細(xì)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(tǒng)采用一個(gè)通用酶——Cas9 來(lái)執(zhí)行剪輯。研究人員需要做的，就是制造一條gRNA來(lái)引導(dǎo)Cas9，而合成一條RNA，遠(yuǎn)比合成一個(gè)酶容易得多?？茖W(xué)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(tǒng)方法更快速、更便宜、更簡(jiǎn)單。但這或許也會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)倫理紛爭(zhēng)。

可編程的細(xì)胞：

上帝之手的創(chuàng)作

基因組編輯的簡(jiǎn)單化讓許多疾病不再恐怖，如果讓體內(nèi)的細(xì)胞按照我們的要求去運(yùn)作，比如讓它們適時(shí)地合成胰島素，或去攻擊腫瘤，那么許多健康問(wèn)題將會(huì)迎刃而解。

顯微流控制領(lǐng)域的專家們開(kāi)發(fā)出一種以硅和玻璃為材質(zhì)的微芯片，這種芯片的表面預(yù)先蝕刻了供細(xì)胞流動(dòng)的通道，隨著細(xì)胞流動(dòng)的方向，通道逐漸收窄，直到細(xì)胞無(wú)法繼續(xù)向前行進(jìn)。此時(shí)被卡住的細(xì)胞因受擠壓而產(chǎn)生形變，細(xì)胞膜上便會(huì)出現(xiàn)小孔。這些小孔的直徑，足夠許多可改變細(xì)胞運(yùn)作的介質(zhì)通過(guò)，如蛋白質(zhì)、核酸、碳納米管等。這項(xiàng)技術(shù)甚至能將介質(zhì)成功引入脆弱的干細(xì)胞和免疫細(xì)胞中，而這些細(xì)胞無(wú)法經(jīng)受以前那種擠壓方式的摧殘。

透明動(dòng)物：

透視生命本質(zhì)

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或組織通體透明，那將大大地提高許多生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的效率。組織之所以不透明是因?yàn)橹镜拇嬖?，如果能找到一種替代脂肪的物質(zhì)，那么組織就會(huì)變得透明?，F(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種方法。首先對(duì)嚙齒類動(dòng)物實(shí)施安樂(lè)死，并將甲醛注入其體內(nèi)，利用心臟將甲醛泵至動(dòng)物全身；之后，剝?nèi)?dòng)物的皮膚，從血管注入一種名為丙烯酰胺單體的白色無(wú)味化合物。丙烯酰胺單體可在動(dòng)物體內(nèi)建立一個(gè)具有支撐作用的水凝膠網(wǎng)，取代動(dòng)物組織內(nèi)的脂肪，并使其呈現(xiàn)無(wú)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。

透明器官可降低實(shí)驗(yàn)中人為誤差的概率，另一方面可提高實(shí)驗(yàn)效率，豐富實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用數(shù)量。擁有這項(xiàng)技術(shù)，就好比擁有了洞察世間萬(wàn)物的“透視眼”。

液體發(fā)電：唾液也能成為新能源

科學(xué)家們?cè)谘兄埔环N微型微生物燃料電池時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種通過(guò)向細(xì)菌提供有機(jī)物，利用細(xì)菌代謝產(chǎn)生電流的方法非常有效。唾液中富含有機(jī)物，因此利用高導(dǎo)電性的石墨烯電極，在上面附著了唾液細(xì)菌，在一周之內(nèi)，這些細(xì)菌產(chǎn)生了1微瓦（百萬(wàn)分之一瓦）的電量。雖然1微瓦看起來(lái)微不足道，卻足以驅(qū)動(dòng)諸如芯片、診斷工具、或是糖尿病監(jiān)測(cè)儀這樣的微型設(shè)備。

視力矯正顯示屏：

為顯示屏“戴上眼鏡”

研發(fā)者在智能手機(jī)或平板電腦等高分辨率顯示屏的基礎(chǔ)上，做了兩項(xiàng)改動(dòng)：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(jī)或平板電腦編寫算法，來(lái)判斷用戶相對(duì)于顯示屏的位置，并根據(jù)驗(yàn)光處方來(lái)調(diào)整投射的圖像。當(dāng)調(diào)整過(guò)的圖像通過(guò)顯示屏透明薄膜上的小孔陣列時(shí)，在軟硬件的共同作用下，屏幕上會(huì)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(yuǎn)視、散光和其他更為復(fù)雜的視力問(wèn)題提供相應(yīng)的矯正。研究人員還計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種滑動(dòng)條，用于手動(dòng)調(diào)整顯示屏的焦距?；蛟S以后視力有問(wèn)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(cè)藥物、爆炸物中的分子信息。設(shè)想一下，涂料桶或洗發(fā)水瓶中每滴液體都含有標(biāo)注了產(chǎn)品生產(chǎn)信息的微?！拖裰讣y一樣。

這種全息顯微鏡以商用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(jī)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(shù)。這些參數(shù)中包含了關(guān)于散射物體的所有信息。它具有納米級(jí)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(shí)就是振動(dòng)的空氣粒子，使用壓電轉(zhuǎn)換器從空氣中獲取振動(dòng)能量，就可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而安全、安靜且高能的超聲波似乎就是個(gè)完美的選擇。

uBeam發(fā)射機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)定向揚(yáng)聲器，可以將超聲波聚焦，產(chǎn)生一個(gè)能量“焦點(diǎn)”，與電子設(shè)備相連的接收器負(fù)責(zé)接收這股能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。聲波充電系統(tǒng)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(dòng)設(shè)備在進(jìn)行高耗電操作時(shí)不會(huì)用盡電量。而擺脫電線的束縛，還能帶來(lái)嶄新的室內(nèi)裝修設(shè)計(jì)思路。此外，目前載有沉重輸電線纜的飛機(jī)、汽車、太空飛船等運(yùn)載工具，重量也可以大幅降低。

儲(chǔ)存熱能的電池：又一新型電池

能源危機(jī)真的是未來(lái)世界的頭號(hào)難題。每年因?yàn)闊犭娦?yīng)浪費(fèi)掉的能量著實(shí)讓人心痛。而目前一種溫差僅為理論值1/10（低至50℃）的發(fā)電技術(shù)則可以解決這種浪費(fèi)。該技術(shù)的關(guān)鍵是利用熱耦效應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中，材料整體的溫度隨電壓而變化，而非僅在電池中產(chǎn)生溫度差。研究團(tuán)隊(duì)使用不帶電的電池芯，配以銅電極，在高溫時(shí)進(jìn)行充電，然后再讓它們冷卻——神奇的事情發(fā)生了，電池的放電電壓比為它們充電時(shí)所用的電壓更高。換句話說(shuō)，用于加熱電池的能量被電池以電能的形式收集了起來(lái)。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)還需要進(jìn)一步完善，相信在不久的將來(lái)，以往白白浪費(fèi)掉的熱能都會(huì)轉(zhuǎn)化為電能，或許能源危機(jī)也會(huì)得到緩解。

新型聚合物“泰坦”：

環(huán)保、高強(qiáng)度、自我愈合、可回收

當(dāng)美國(guó)IBM公司的化學(xué)家加西亞在剛用過(guò)的一個(gè)燒瓶里，發(fā)現(xiàn)了一塊糖果大小的白色材料時(shí)，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(dāng)她再次舉起錘子，去敲打這塊材料本身時(shí)，后者卻毫發(fā)無(wú)損。

這是一類新型熱固性聚合物——“泰坦”。它是一種極為堅(jiān)固的塑料，是目前為止發(fā)現(xiàn)的第一種可回收的、具有工業(yè)級(jí)強(qiáng)度的熱固性材料。這種材料還有第二種形態(tài)，在低溫時(shí)，它會(huì)呈現(xiàn)出可自愈合、類似凝膠的形態(tài)——“海德魯”。如此特殊的塑料注定了它將會(huì)有不平凡的應(yīng)用領(lǐng)域——給藥設(shè)備、黏結(jié)劑、3D打印、水凈化等。