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《科学美国人》杂志点评2006


作者:科技日报 来源:RFID世界网 2006-12-25 10:18:28

摘要: 编者按2006年即将过去,这一年中有什么值得注意的大事?有哪些激动人心的科技进展?有多少具有划时代意义的重大突破?《科学美国人》杂志撰文总结了本年度重要的事件、发现和发明。

关键词:《科学美国人》[0篇]  

 编者按2006年即将过去,这一年中有什么值得注意的大事?有哪些激动人心的科技进展?有多少具有划时代意义的重大突破?《科学美国人》杂志撰文总结了本年度重要的事件、发现和发明。    



  最佳研究人员    



  《科学美国人》评选的年度最佳研究人员是麻省理工学院的材料科学家安杰拉·贝尔彻。她采用病毒来制成了纳米线和半导体器件。目前,纳米技术的难点是要解决自装配问题,让互不相关的原子利用其自身力量精确地连接在一起,并排列成行。有人认为,要解决这一问题可以从活的生命中寻找答案。分子在转变成复杂的生物机械后才使生命得以延续。麻省理工学院贝尔彻的研究方向就转向自然界,解决了原子的装配问题。在合成纳米导线和组件过程中,贝尔彻率先使用一种定向进化病毒,将不同的领域的技术融合形成她自己独有的东西。    



  贝尔彻的目标是利用活的生物作为工厂,对各种材料进行配置。这些材料可以是由元素周期表中任何一种元素制成。她的最大成功是使用了M13细菌病毒,这是一种6纳米宽的长管状病毒。她对这种病毒进行遗传改造,可形成多个量子阱。通过悬浮病毒粒子,就能让它们排列起来,这是一种产生精确间距的多层量子阱的有效方法。    



  最近,她又改造了M13病毒,使其同诸如氧化钴和金分子等金属粒子相连,制作出能形成高能量密度电极的金属纳米线。用这种纳米线能制成重量轻的薄膜电池。贝尔彻已与一家高技术公司合作,将其研究成果转变成灵巧、触摸敏感的荧光屏和发光二极管等商业器件。    



  汽车业的环保之路    



  最近几年乙醇燃料成为汽车业相关人士谈论的焦点,用乙醇作为汽车燃料有很多优点。乙醇是一种清洁能源,燃烧后排放的二氧化碳很少,另外乙醇可以从可再生的生物质中提取。今年Iogen公司将乙醇生产技术又向前推进了一步,该公司开发出一类专用酶,这些酶可以将成本很低的秸秆等农用废料中的纤维素转化成乙醇。    



  科学家研究的另一个可再生燃料是生物柴油。生物柴油污染少,主要从植物油中提取。东京技术研究所的科学家研究证明,糖、淀粉或纤维素等炭化后的混合物经过处理,可以生成一种固态酸催化剂,这种催化剂用于生物柴油的生产过程后,生产出的生物柴油不仅具有不溶性,易于循环使用,而且生产成本大大降低。    



  工程技术人员也在想方设法让柴油在燃烧过程中排放的一氧化氮更少,减少对大气的污染。在这方面表现突出的是德国汽车制造商戴姆勒—克莱斯勒公司,该公司最近引入了一种叫做模块化废气处理系统的技术,这种技术能够大大减少一氧化氮和煤烟的排放量,使汽车能够满足美国规定的世界上最严格的排放标准。    



  使用汽油和电池的混合动力汽车是另外一项热门领域,这种动力车比普通动力车每小时能行驶更多的里程,每公里里程排放的二氧化碳也更少。但是以前的混合动力车只是在汽车启动时和车速较低时省油,而在高速行使过程中没有省油优势,现在通用等公司生产的混合动力汽车在汽车高速和低速行驶时都能省油,同样的油量这些混合动力车比普通车能多走25%的路程。    



  混合动力汽车的另一个环境优势表现在,当电池中储存足够的电能后,汽车有时能完全依靠电能行使,代替汽油燃料,减少二氧化碳的排放。EDrivesystems和Hymotion两家公司分别开发出可充电的电池,使混合动力汽车得到升级,在更环保、更持续能源利用的未来之路上迈出了一大步。    



  解密阿尔茨海默病    



  随着全世界老年人口数量剧增,人类征服老年人所面临的最严重疾病———阿尔茨海默病的愿望越来越迫切,科学家们在今年的表现没有让人们失望。    



  华盛顿大学医学院的科学家通过追踪β-淀粉状蛋白在神经突触连接处的含量发现,β-淀粉状蛋白的含量增加,突触神经的活性就越强,β-淀粉状蛋白是一种与阿尔茨海默病有关的破坏性极强的蛋白质。这一认识对阿尔茨海默病的研究是一大突破。    



  防止病人遭受阿尔茨海默病痛苦的关键之一就是早诊断,华盛顿大学医学院的科学家们在这一领域也取得了突破。他们设计了一种检测技术,利用这种技术可以测出大脑中β-淀粉状蛋白的生成量和排放量,这种技术可以用于阿尔茨海默病的早期诊断以及衡量药物对病人的疗效。    



  在治疗方面,路易斯安那州立大学的科学家汉默尔研发出的合成蛋白片断将创造新的治疗方案。科学家们认为,当β-淀粉状蛋白中的多肽出现畸形结合时,大脑中就会形成纤维团,这些团状纤维就是所谓的溶菌斑,溶菌斑能够引起阿尔茨海默病病人的大量脑细胞死亡。而新合成的蛋白质片断能够阻止这种溶菌斑的形成,汉默尔破坏了β-淀粉状蛋白中的多肽,让这些多肽分解成不会畸形结合的氨基酸,由这些氨基酸直接结合成β-淀粉状蛋白。试验表明,将这种新方式合成的蛋白质片断放在试管中长达几个月,也不会形成具有破坏性的溶菌斑。如果这种试验在人体大脑中能够重复的话,数千万的阿尔茨海默病患者将从致命的溶菌斑中解脱出来,不再受此病折磨。    



  神秘的二维光学世界    



  几年来,美国马里兰大学的电子工程师IgorI·斯莫尔亚里莫夫根据时间机器物理学原理推导出电磁波的许多特性,他一直在材料科学领域从事研究,具体内容为离子体光学,研究如何将光波由三维转变成二维(通常三维的光波叫光子,二维的光波叫等离子)。等离子通常沿着金属层表面形成波浪,金属层表面的液滴能够捕捉到等离子,就像黑洞能够捕捉光子一样。    



  斯莫尔亚里莫夫和他的同事现在已经用液滴黑洞创造出一种显微镜,这种显微镜能够看见比可见光波长更短的光,这是目前物理教材知识难以想象的突破。通常,二维的等离子比三维的光子波长小很多,比如,斯莫尔亚里莫夫用波长为500纳米的激光产生的等离子波长只有70纳米,一滴甘油可以将70纳米的等离子聚焦,形成二维图像。    



  与等离子光学相似,光学领域的另外一种热门超介质也受到科学家们的重视。超介质是由人造原子组成,这些人造原子具有普通原子所没有的光学特性,超介质为人类开启了一扇神秘世界的大门。今年年初,伦敦皇家学院和美国杜克大学等学校的科学家分别推测认为,超介质能够重新调节一个物体周围的光线,让原本可见的物体“隐藏”起来,无法被看见。杜克大学的研究人员还在10月份向人们展示了他们研究出来的“看不见的外衣”,让传说中的“皇帝的新衣”变成现实。    



  宾夕法尼亚州立大学的科学家今年设计了一套标准化的等离子组件,这些组件类似于传统的电阻器、电容器和电感器,科学家们从此可以利用光代替电子设计各种电路,用于各种电器,充满神秘色彩的等离子体世界很快就会出现。    



  最佳领袖企业斯韦斯·雷    



  瑞士全球保险公司斯韦斯·雷,曾对全球变暖可能产生的灾难性影响发出警告,并与他人共同撰写了有关该影响的报告。报告注意到,保险公司发现他们正处于这一变化引发的挑战的前沿,因为保险事业的成败与对这一风险的适当评价息息相关。    



  气候变化对这一行业提出了特殊的问题。极端天气事件或许已经到了直接对保险公司生存产生影响的地步。报告描述了气候和灾难天气发展的最新趋势,并跟踪受温室气体排放影响的两种不同气候变化场景对热浪、洪水、传染病和慢性病的可能影响。联合国发展计划署参与了报告的撰写。该报告由哈佛大学健康和全球环境中心协作出版。    



  斯韦斯·雷长期关注气候变化,公司在2003年曾宣布,建立一个10年计划,使公司成为纯二氧化碳排放量为零的温室气体“中性”公司。    



  去年,该公司加入“芝加哥气候交易所”,这是一家对温室气体排放进行交易的志愿性市场。在其发布2005年报告时,斯韦斯·雷呼吁各国政府和全球工业界采取更强有力的行动,以减轻气候变化引发的灾难性后果。    



  私人出资发起医学研究成风    



  今年,很多企业家和经济学家纷纷出资发起各种医学研究计划。例如,为减轻发展中国家防治传染病的负担,哈佛大学经济学家科瑞莫曾鼓吹建立人造疫苗市场。在科瑞莫的计划中,捐助人许诺为疫苗的研发,支付一定的经费,并以高价购买疫苗。然后,公司再以低价向发展中国家提供疫苗。    



  50岁的前企业家斯科特·约翰森,患有多发性硬化症。他于2003年建立了一家“康复基金会”,让该领域中的5位最有名的大学研究人员合并其实验室,为研发治疗方法,建立了一个更像企业的组织。    



  4家最有名的癌症研究中心共同努力,来协调它们的临床试验、分享资源,集中经费用于研究多发性骨髓瘤(一种血癌)。领导这一计划的是卡苏·吉尤斯蒂。她是一名药物公司行政管理人员,但她患有多发性骨髓瘤,因此她建立了“多发性骨髓瘤研究基金”,目前,已筹集到6000万美元的研究基金。    



  克里斯蒂娜·沃勒哈德是1995年医学诺贝尔奖获得者。她利用自己的存款以及从联合国获得的10万美元奖金,成立了“妇女科学计划”,向年轻女科学家支付他们的保姆费和家庭补助。    



  巴菲特是世界上仅次于比尔·盖茨的第二富人。他正将他85%的财富,捐助给“盖茨基金会”。巴菲特和盖茨的捐助,带动了其他的企业家的解囊捐助,成立各种基金会,进行多种医学研究活动。(张孟军)    



  干细胞的前景    



  胚胎干细胞的研究趋势近年发生了改变,科学家发现可以在保持胚胎完整性的情况下提取干细胞,这一新趋势有望改变美国总统布什和其他反对人士对干细胞研究的态度。    



  哈佛大学干细胞研究所的凯文·埃根教授去年将胚胎干细胞与皮肤细胞融合起来。胚胎干细胞能够重新编排皮肤细胞的细胞核,使得皮肤细胞具有干细胞的类似功能,像胚胎干细胞一样发育成与皮肤细胞捐助者基因匹配的其他任何组织细胞,而且还免去了破坏胚胎的克隆程序。    



  美国西北大学医学院的研究团队试验的一种治疗狼疮的新疗法再次证实了干细胞的治疗前景。狼疮病是一种自身免疫性疾病,该研究团队将病人骨髓中的干细胞全部抽出来,接着让病人服用杀死白细胞的药物,将体内的白细胞完全清除掉,然后将抽出来的干细胞重新输回体内,形成新的不会产生破坏性抗体的白细胞。试验这种方法的48个病人中,一半狼疮病患者在5年内没有复发。    



  科学家们一旦认识了胚胎干细胞分化成各种成熟细胞的机理,各种调节成体细胞的新方法就会产生。这些新方法可能还会将成体细胞重新调节回原来的未分化状态,使得成体细胞“返老还童”,重新获得分化成各种不同细胞类型的能力。白头生物医学研究所教授劳里·博耶已经证明三种蛋白质调控干细胞分化过程的机理。该研究所另一位科学家研究证实,畸变后能引起疯牛病的朊蛋白在正常状态下拥有一种与干细胞有关的重要功能,该蛋白能够帮助造血干细胞提供营养并维持养分。这些基础性的理论认识虽然不能立即产生医疗方法,但是有助于人类探秘干细胞生物学的复杂世界。    



  在美国,布什总统规定研究人员只能对已有的78个干细胞系进行研究,由于许多干细胞系受到感染而无法再用,现在可供研究的干细胞系越来越少,这个规定限制了美国干细胞的发展。虽然有国会议员提案放宽对干细胞研究的限制,布什仍坚持否定了这个提案,科学家们只有将希望寄托在干细胞基础研究领域的重大突破,让这些成果来“说服”布什等干细胞反对派,让干细胞最终从政治束缚中解脱出来。    



  电子标签越来越聪明    



  射频识别技术(RFID)作为电子标签已经风行了几十年了,最近这个电子标签将带来革命性的变化,摒弃普遍使用的条形码技术。但新电子标签由于成本太高并没有获得业界认可,科学家们正在寻求用塑料这种更便宜的材料,帮助降低新电子标签的价格,最终实现上市。    



  以前,拥有半导体性能的有机物装置导电太慢无法为电子标签的芯片提供能量,但去年比利时科学家的新成果改变了这一局面,他们用有机材料并五苯构造出一个二极管。今年初,荷兰的科学家将有机材料半导体的研究又向前推进了一步,他们完全利用塑料电子元件制造出了功能完好的电子标签,与传统的硅芯片相比,这种塑料芯片更容易制造,直接利用塑料模版印刷即可。这种简单的工艺大大降低了产品包装上电子标签的价格,而且由于新电子标签识别器的识别范围达到几米,超市的工作人员可以一次性扫描出一筐商品的价格,大大提高了收款效率。    



  惠普试验室也设计出一款微型无线芯片(如图),可以在许多领域取代电子芯片。该芯片容量达到4兆,可以每秒10兆的速度将数据传输到识别器上,能装在护照、名片、医学标签和住院服的袖口上。    



  碳纳米电子装置    



  自从1985年科学家发现由60个碳原子组成的球状结构———巴基球后,科学家们已经集中精力研究出许多不同的碳纳米网状结构,最近这个大家族又增加了一个新成员:由呈六边形的石墨片组成的扁状碳原子层———石墨片晶体。    



  去年末,英国曼彻斯特大学和美国哥伦比亚大学的科学家分别通过试验证实,石墨片晶体具有一些独特的电子学特性,包括有效电子质量为零,石墨片晶体中的电子像基本粒子一样遵循爱因斯坦相对论,而不像其他电子一样遵循牛顿的动量定理,这一试验结果开启了相对论研究的崭新领域。    



  石墨片晶体电子元件的开发也取得了重大进展。美国乔治亚州工学院的科学家瓦特和他的同事利用标准的微电子产业技术生产出了石墨片晶体管和其他电路系统,石墨片晶体比硅晶片具有更大的优势,而且能够很容易地设计成想要的不同形状,其他的碳纳米管却很难设计成复杂的电子元件。    



  美国加州大学的研究人员展示了他们用碳纳米管研制的一种全新晶体管,这种晶体管呈Y字形,不再需要金属电极来控制电流,从而大大减少了晶体管的体积,使得这种晶体管比以前的晶体管小很多。    



  美国德克萨斯大学纳米技术研究院的科学家和澳大利亚的科学家分别研发出制造碳纳米薄层的新方法,碳纳米薄层具有结实、轻便、柔韧性高和导电性好等特点,完全适用于显示器、太阳能电池、有机发光二极管和人造肌肉等许多领域的电子组件。不管是扁平的石墨片晶体还是卷曲状的碳纳米管,碳纳米结构的研究和应用都会继续得到加强。(聂翠蓉)    



  人工培育替代组织    



  利用生物可降解支架来培育种子细胞,生物工程师们制造出了多种可供移植的替代器官,这些器官已能很好地模仿身体软组织的机械性能。    



  美国匹兹堡大学的生物工程师威廉·瓦格纳和迈克尔·萨克斯用聚酯型聚氨酯材料搭建的圆筒形可降解支架,可以像肺动脉瓣一样自动调节,以适应来自不同方向的压力。光滑的肌肉细胞“生长”在支架上就可形成“血管组织”。实验显示,这种生物材料可以促进心脏手术后的老鼠伤口的愈合,减少疤痕。    



  加州的Cytograft生物工程公司开发的利用人体自身细胞培育血管的技术已经进入临床试验阶段,并已获得专利认证。在阿根廷进行的可行性试验中,Cytograft公司将其培育的血管移植到两位透析病人体内,两位患者在9个月的观察期内均未出现排异反应。    



  不过,人工培育组织移植最大的障碍在于,类似于肌肉这样比较厚的组织在植入病人体内后,会因没有血管网,导致组织缺乏养分而死去。以色列理工学院的舒拉米特·莱文伯格及其研究小组将成肌细胞、内皮细胞和纤维原细胞在三维支架上混合培养,培育出了内部带血管网的肌肉组织。实验中,内皮细胞生成最初的血管后,就开始诱导纤维原细胞分化成平滑肌细胞,而纤维原细胞又分泌出生长因子,刺激更多的血管生成,形成了良性循环。老鼠试验显示,新培育的血管中有近一半的流动起了实验鼠的血液。    



  可移动机器人    



  2005年10月,在美国国防先进研究计划署发起的无人驾驶机器人车辆大赛中,斯坦福大学的“斯坦利”以平均38英里的时速成功穿越莫哈韦沙漠夺冠。借助车载激光和雷达系统对地形的扫描以及运算软件对图像的分析,“斯坦利”能够快速转向以躲避障碍物。2004年,没有一辆车能够完成这段150英里路程的5%,时隔一年,有4辆车在10小时内抵达终点。这一年度赛事正逐步把移动机器人推向实用。    



  “斯坦利”有一个人性化的名字,相比之下,密歇根大学研发的轮式双足机器人“兔子”(如图)却能够像人类一样走路。研究人员在设计行走程序时更全面地考虑了重力效应,“兔子”在迈步前会先把重力换到支撑的腿上,然后再抬起另外一条腿,其行走的步态与人神似。    



  低成本DNA测序    



  2005年,人体基因组测序的成本大幅下降,大约只有原来的2000万美元的1/10。专家表示,到2015年测序费用有望降至1000美元。    



  哈佛医学院的乔治·丘奇与哈佛大学以及华盛顿大学的研究人员合作开发了一套由多台显微镜与高速数码相机组合在一起的新设备,只需将不同颜色的荧光标签粘到DNA的4种核苷酸上,在计算机对照相机拍摄的颜色数据加以处理后,就能得到测序结果。这种方法比传统测序法快20倍,成本约为14万美元/次。    



  美国“454生命科学”公司同样也采用照相机和显微镜来为基因排序,不同之处在于用能够发光的化学反应来取代了荧光标签。该公司生产的基因测序机售价为50万美元,速度是传统方法的100倍。    



  今年5月,IBM阿尔马登研究中心的库玛·威克拉马辛及其同事宣布了新的基因测序方法,将传统的电泳分析技术与原子力显微镜结合,虽然只能排列40个核苷酸的基因片断,但测序速度却提高了10万倍。    



  材料科学进展    



  德国拜罗伊特大学的纳塔莉亚·杜布罗文斯卡亚及其同事合成了一种比钻石还硬的新物质。这种被称为钻石纳米棒聚合体的新材料是将碳60分子置于200倍大气压、2200摄氏度高温下压缩而成的,具有广泛的工业应用前景,可用于切割及打磨坚硬的合金或者陶瓷,同时也很容易进行大规模生产。    



  美国伦斯勒理工学院的普利克尔·阿杰安利用碳纳米管制作的超级弹簧,既有超强的硬度,也有良好的弹性,重复挤压万次也不会变形,是制造人工关节或者避震装置的理想材料。    



  有时候研究人员也从自然界获取灵感,比如软体动物的外壳内层由珠母层构成,非常坚硬。美国劳伦斯伯克利国家实验室的安东尼·汤姆西亚将羟磷灰石(骨骼的矿物成分)粉末溶解于水中,然后将溶液冻结,由此得到类似贝壳的层状微结构。利用这种方式制成的复合材料比现有的陶瓷更不易碎裂,可望被用做牙齿材料或人工骨骼。    



  海洋生物海绵体内有一种名为“硅蛋白”的酶,既可以将海绵动物的针状骨胳粘合在一起,也可以通过自身纤维错综交叉构成网状的骨胳。加州大学圣巴巴拉分校的丹尼尔·莫尔斯研制出类似“硅蛋白”的化合物,将其涂抹于金的表面可作为制作半导体薄膜的模板,起到增强电池性能和效率的功效。    



  视力复明技术    



  传统医学认为,成人的大脑、脊椎和眼睛等中枢神经系统所受的损伤是无法治愈的。虽然动物试验显示受伤的神经纤维可以再生,但这些修复技术必须在受伤时或受伤前使用,因此很难用于对人的治疗。美国波士顿儿童医院的拉里·本诺维茨及其同事发现,一种被称为癌调蛋白的分子能够使受伤老鼠视神经的再生能力增强5到7倍。本诺维茨相信,癌调蛋白分子将来可用于治疗青光眼、肿瘤以及外伤造成的视神经损伤,他还计划研究癌调蛋白分子是否对中风以及受伤的脊髓也有疗效。    



  麻省理工大学先进视觉研究中心的高级研究员伊丽莎白·戈德林研发的视觉机器,利用发光二极管将图片或文字直接投射至视网膜,可以让失明者观看录像。今年2月公布的临床试验结果显示,10位受试的视障者中,有6人准确无误地解释了全部10个测试项目中短语、黑白图形和符号。    



  终极计算机    



  使用量子点作为存储单元的量子计算机信息储存技术由理论向现实又迈进了一步。今年,美国密歇根大学和美国国家标准局的研究人员分别制造出能够存储几个原子的微芯片,并通过电子信号操纵这些原子的量子态,成为研制量子计算机的重要突破。    



  网络中立    



  有关“网络中立”的话题近半年来在美国闹得沸沸扬扬。电话和有线网络巨头等网络运营商提议对谷歌、雅虎等互联网内容提供商加收额外的宽带接入费用,而广大消费者则支持立法保护网络中立。所谓网络中立就是维持互联网的公平、自由和开放,网络运营商不能对所传输数据加以区别对待。遗憾的是,美国众院6月否决了《2006网络中立法案》提案。这意味着,在美国即将进行修订的新《电信法》中,有关网络中立性的条款有可能不会被采纳。    



  DNA分子组装    



  利用DNA分子进行结构组装是纳米科技研究的分支领域之一。去年,英国牛津大学与荷兰阿姆斯特丹自由大学合作,用DNA建造了一个金字塔状的四面体。这个只有10纳米宽的金字塔可以用于组装三维结构的电子电路,只需要短短几分钟,就可以将数万亿个这样的金字塔搭建成一个复杂结构。    



  大脑图谱    



  3年前,微软创始人之一保罗·艾伦投资1亿美元建立艾伦脑科学研究所,其第一个研究项目就是绘制小鼠大脑图谱。今年9月,这份名为“艾伦脑图谱”的完整三维图在网上公布,图谱在单细胞水平上对小鼠大脑21000个基因的表达进行了详细绘制,明确了每个基因在何时以及何处处于活跃状态。由于老鼠和人类有90%%的基因相同,研究人员希望这份图谱能够为研究人类大脑的发展、功能以及疾病提供更深入的视角。 

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