劉波

“原子積木”搭建新奇材料：樂高積木的科學(xué)暢想

材料科學(xué)家將樂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，最薄可以達到僅有一層原子的厚度，可以按照設(shè)計好的結(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(fā)現(xiàn)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(wěn)定地疊放在一起。當(dāng)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(xué)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(xué)和光學(xué)性能的物質(zhì)。

基因組編輯：更快、更準(zhǔn)、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(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，細菌可以對侵襲過它的病毒產(chǎn)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(tǒng)采用一個通用酶——Cas9 來執(zhí)行剪輯。研究人員需要做的，就是制造一條gRNA來引導(dǎo)Cas9，而合成一條RNA，遠比合成一個酶容易得多。科學(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(chuàng)作

基因組編輯的簡單化讓許多疾病不再恐怖，如果讓體內(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。

顯微流控制領(lǐng)域的專家們開發(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(xù)向前行進。此時被卡住的細胞因受擠壓而產(chǎn)生形變，細胞膜上便會出現(xiàn)小孔。這些小孔的直徑，足夠許多可改變細胞運作的介質(zhì)通過，如蛋白質(zhì)、核酸、碳納米管等。這項技術(shù)甚至能將介質(zhì)成功引入脆弱的干細胞和免疫細胞中，而這些細胞無法經(jīng)受以前那種擠壓方式的摧殘。

透明動物：

透視生命本質(zhì)

實驗動物或組織通體透明，那將大大地提高許多生物醫(yī)學(xué)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(zhì)，那么組織就會變得透明。現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(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。

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(shù)據(jù)，同時減少實驗動物的使用數(shù)量。擁有這項技術(shù)，就好比擁有了洞察世間萬物的“透視眼”。

液體發(fā)電：唾液也能成為新能源

科學(xué)家們在研制一種微型微生物燃料電池時發(fā)現(xiàn)，這種通過向細菌提供有機物，利用細菌代謝產(chǎn)生電流的方法非常有效。唾液中富含有機物，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。雖然1微瓦看起來微不足道，卻足以驅(qū)動諸如芯片、診斷工具、或是糖尿病監(jiān)測儀這樣的微型設(shè)備。

視力矯正顯示屏：

為顯示屏“戴上眼鏡”

研發(fā)者在智能手機或平板電腦等高分辨率顯示屏的基礎(chǔ)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(jù)驗光處方來調(diào)整投射的圖像。當(dāng)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。研究人員還計劃開發(fā)一種滑動條，用于手動調(diào)整顯示屏的焦距?；蛟S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(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(zhuǎn)換器從空氣中獲取振動能量，就可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能，而安全、安靜且高能的超聲波似乎就是個完美的選擇。

uBeam發(fā)射機相當(dāng)于一臺定向揚聲器，可以將超聲波聚焦，產(chǎn)生一個能量“焦點”，與電子設(shè)備相連的接收器負責(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，還可以保證移動設(shè)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(nèi)裝修設(shè)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(yīng)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(fā)電技術(shù)則可以解決這種浪費。該技術(shù)的關(guān)鍵是利用熱耦效應(yīng)。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(chǎn)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(fā)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(dāng)然，這項技術(shù)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(zhuǎn)化為電能，或許能源危機也會得到緩解。

新型聚合物“泰坦”：

環(huán)保、高強度、自我愈合、可回收

當(dāng)美國IBM公司的化學(xué)家加西亞在剛用過的一個燒瓶里，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，后者卻毫發(fā)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(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。這種材料還有第二種形態(tài)，在低溫時，它會呈現(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。