陕西建筑材料联盟

展示创新力量 改变人类生活(下)——2016年十大新兴技术

中国对外贸易杂志2018-01-12 20:29:14

近日,据《科学美国人》网站报道,世界经济论坛在夏季达沃斯年会上发布了2016年度十大新兴技术,这份榜单由该论坛的新兴技术跨界理事会编纂,与《科学美国人》杂志合作发表。他们相信这十大技术展示了创新的力量,能够改变人类的生活,以及变革工业的面貌并保护我们的星球。


入选技术集中在可以改善人们生活、推动行业变革和维护地球生态等领域。理事会在遴选榜单时,非常看重一个标准: 某项技术的发展是否以2016年为重要转折点。 因此,榜单上可以看到一些已经知名多年,但现在才达到成熟水平、产生重要影响的技术。

 

芯片器官带来人类生物学新视野

很多重要的生物学研究和实用药物测试只能通过研究某个器官在工作时的“一举一动”才能进行,一项新技术能在微芯片上培育功能性的人类器官块,这种所谓的“芯片器官”或许可满足这一需要,使科学家能以前所未有的方式研究生理学机制和行为,为药物研发提供机会。


2010年,哈佛大学威斯研究所的唐纳德·因格贝尔利用微型品制造技术与组织工程技术,将人类细胞与真空芯片结合,制造出了“一片”能自由呼吸的“芯片肺脏”,这是第一款芯片器官。   


私人企业闻风而动,例如由因格贝尔和威斯研究所的其他同事领导的“模拟(Emulate)”公司与研究机构、业内公司和包括美国国防部先进研究计划局(DAPRA)在内的政府部门缔结了合作关系。迄今为止,已经有多个组织报告成功制造出了肺、肝、肾、心脏、骨髓以及眼角膜等的“芯片器官”。比如,源自英国牛津大学的CN Bio研制的名为量子-B的肝脏芯片可以帮助科研人员找到治愈乙肝这种肝脏病毒性感染的方法。而其他人表示会紧随其后。

   

每个芯片器官的尺寸大约与USB存储器相仿。它由柔韧、半透明的聚合物制成。在芯片内部存在布局复杂的微流体管道,每根微流体管道的直径不到1毫米,布满取自目标器官的人类细胞。当营养物、血液及实验药物等测试用混合物被泵入管道时,这些细胞会复制活体器官的某些关键功能。

  

芯片内部的小室经过安排可以模拟某一器官组织的特殊结构,例如肺部微小的气囊。然后,空气通过气道可以非常精确地模拟人类的呼吸。与此同时,可以将混合着细菌的血液泵入其他管道,然后科学家就可以观察细胞如何对感染做出反应。这项技术将使科学家看到以前从未看到过的生物机制和生理行为。

   

由于一些“芯片器官”装置对诸如细菌以及空气污染产生的反应和活体器官相似,在未来将有可能会被用来测试药物安全以及人体对环境的反应。若获得监管部门批准,这些装置能大大减少制药检查方面对活体动物实验的依赖,同时也能减少制药成本、缩短药物推向市场的时间。


而军队和生物防御研究人员看到了芯片器官以不同方式挽救生命的潜力。模拟肺脏和其他类似的设备或许可以用于测试人体器官对生物、化学或放射武器的反应。因为伦理原因,目前还无法进行类似的测试。


 

钙钛矿太阳能电池效率大增


目前支配世界市场的硅基太阳能电池面临着三个瓶颈。一种新的制造高效太阳能电池的方法——利用钙钛矿来替代硅或许能一次解决这三个问题并且从太阳光那里获得更多电。  

  

硅基光伏电池的第一个局限性在于,它们由一种很少在自然界中能够找到纯净成分的元素制成,尽管氧化硅并不短缺,但是,将其中的氧气去除从而获得纯净的硅会耗费大量能量。一般来说,制造商们在一个电弧炉内将氧化硅在1500到2000摄氏度融化,在此过程中会排放不少温室气体,因此,制造硅基光伏电池的成本相对来说就比较高。 

       

钙钛矿是一类范围广泛的材料,其主要由碳和氢制成的有机分子结合铅等金属以及氯等卤族元素采用三位晶体结构制成,其制造成本更加低廉而且排放更少。制造商们可以将很多液态溶液混合,然后沉积出钙钛矿薄膜,不需要电弧炉,薄膜本身也非常轻。   

     

这些属性因此消除了硅太阳能电池的第二个限制:坚硬且笨重。平的以及大块板状的硅基光伏电池表现最出色,但是,这些太阳能电池板使得大规模安装非常昂贵。    


传统硅基太阳能电池的第三个主要限制在于其能源转化效率,15年来,其能效一直卡在25%。当钙钛矿首次问世时,其能效比硅基太阳能电池更低。2009年,由铅、碘化物以及铵制成的钙钛矿太阳能电池只能将4%的太阳光转化为电力,但是,钙钛矿太阳能电池的发展势头非常迅猛,部分原因在于钙钛矿由数千种不同的组成。    


到2016年,钙钛矿太阳能电池的能效已经超过20%,7年之内提高了4倍,而且,过去两年更是令人惊叹地翻了一番。它们目前在商业上与光伏电池展开竞争,且可能远远没有达到效率极限。尽管硅基太阳能电池技术已经非常成熟,但是,钙钛矿太阳能电池处在不断地优化过程中。  

      

尽管钙钛矿的未来依旧困难重重,但在能源紧缺的今天,人们不会放弃任何产生新能源的机会。与其他新兴的电池技术携手,钙钛矿太阳能电池或许也能改变缺乏可靠电力的12亿人的生活水平。

    

系统代谢工程学将微生物变成工厂


跟踪我们每天购买和使用的产品,从塑料、衣物到化妆品和燃料,追本溯源,你将发现大量物体都由来自于地下深处的物品制成。制造这些产品的工厂也或多或少由这些由各种化学物质组成。而且,这些化学物质来自于主要由化石燃料提供能量的工厂,这些工厂能将石油化学产品变成其他各种化学物品。   

     

用活的有机物代替石油化学产品、天然气和煤来制造我们日常生活中所用的产品不仅对气候和环境有利,对全球经济来说也是一件好事。我们已经在农业领域使用这种方式。从长期角度来说,在制造拥有很多属性的廉价材料方面,微生物拥有很大的潜力。我们可以摒弃目前从地下挖取原材料的方式,代之以在巨大的充满了活体微生物的生物反应器内“孵化”出这些材料。

   

要想基于生物的化学产品真正成为主流,它必须能在价格与性能方面,与传统的化学产品相媲美。因为系统代谢工程学技术的不断进步,这一目标目前似乎可以实现。代谢工程学的基本宗旨是改变微生物的生物化学属性,使其大部分能量和资源能够被合成有用的化学产品。有时候,修改包括改变有机物的遗传组成;有时候,修改包括改变微生物的代谢机制进行,这一点相比前者更加复杂。  


随着合成生物学、系统生物学和进化工程学最近取得进展,代谢工程学现在能创造出可以制造以常规手段难以制取(因而十分昂贵)的化学物质的生物系统。在最近一次成功的演示活动中,经特殊设定的微生物生成了PLGA,这是一种可植入、能够生物降解的聚合物,可用于外科缝合、移植和修复,也可以用作治疗癌症和感染的药物输送材料。

   

系统代谢工程学也被用来制造酵母菌株,这些酵母菌株能够为疼痛治疗制造阿片。全世界都需要这些药物,尤其是发展中国家,因为这些国家目前还不能高效地管理疼痛。    

 

区块链为数据“保驾护航”


数字货币比特币背后的区块链技术是一种分散式的公共交易分类账,它不被任何企业或个人拥有或控制。任何用户都可以读取完整的区块链。借用编制密码的数字手段,资金每次从一个账户转至另一个账户都被以一种安全和可证实的方式记录下来。由于区块链的众多副本散步在全球各地,它被认为能够有效防止篡改。        


比特币对执法和国际现金控制提出的挑战已经引发了各界人士的广泛讨论,但是,区块链分类账的用途已经超出了简单的金钱交易范畴。   

     

与互联网一样,区块链是一个基于其他技术和应用的开放的全球基础设施;而且,与互联网一样,区块链使得人们在彼此之间交易时,能够摒弃传统的中间人,因此能降低甚至消除交易成本。  


通过使用区块链,个人不需要银行账号就能安全地交换金钱或者购买保险,甚至能跨越国境。区块链技术也让陌生人能够不通过律师就签署简单且可实施的合同。它使得人们可以直接出售房产、票务、股票以及其他资产而不需要任何中间商。        


专业中间商,比如银行、律师和股票经纪人面临的长期后果可能非常严重,当然,并非完全是不好的影响,因为他们的产业本身在做生意的时候也付出了高额的交易费。例如,桑坦德创新风投资(Santander旗下1亿美元金融科技风险投资基金会)的分析师们估计,到2022年,区块链技术每年可以为银行节约200多亿美元的成本。        

    

二维材料为科学家提供新工具


新材料能改变世界。我们现在所谓的“青铜时代”和“铁器时代”都与材料有关,而且,水泥、不锈钢以及硅使得现代世纪成为可能。    

现在,一类具有巨大潜力的新材料(每种材料都由单层原子构成)正如雨后春笋般涌现。这个被称为二维材料的新型材料家族在过去几年间不断壮大,现已包括了呈网格状的碳(石墨烯)、硼(硼墨烯)、六方氮化硼(白色石墨烯)、锗(锗烯)、硅(硅烯)、磷(黑磷)以及锡(锡烯)等。更多二维材料已被证明在理论上是可行的,但迄今尚未被合成出来,比如由碳合成石墨炔(Graphynes)等。每一种材料都有令人兴奋的特性,而且可以像搭乐高那样把各种二维物质组合起来形成更多的新材料。   

     

二维材料领域的革命始于2004年。那一年,英国曼切斯特大学的科学家安德烈·盖姆和科斯提亚·诺沃谢夫用透明胶带撕出来的石墨烯,让全世界的科学家毫无保留地献出了他们的膝盖,而这两位科学家也因此荣膺2010年诺贝尔奖。 

 

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