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比特币时代

环球科学杂志"十大创新改变世界"比特币位列其中

作者:环球科学杂志 来源:转载 日期:2012-2-27 23:10:17 人气: 标签:十大创新 【打印】

平凡至极的创意,往往正是催生惊世变革的原始动力。多年前,一位名叫史蒂夫布斯的年轻发明家突发奇想,打算让那些“毫无电脑阅历,并且也不怎么想获得这种阅历的人”体验到电脑的神奇功力,一步跨越到让人轻松愉快的苹果电脑和iPhone。他的灵感永远改变了人与技术的关系。
  还有哪些看似简单,却蕴含革命性前景的构想正静静地躺在实验室,等待着破茧而出呢?《科学美国人》编辑部评选出了十项创新技术,接下来,我们将解读这些创新,看看它们如何改变世界。它们创意简单、潜能无限,本专辑就算是我们对这些金点子所表达的敬意吧。[详细]

一、医学:纳米级的细菌SHASHOU

世界卫生组织惊呼,耐药性结核病菌正在欧洲大肆泛滥。形势之严峻,与人类抗击其他耐药型疾病所面临的境况如出一辙[耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染(MRSA )即为一例,这种葡萄球菌感染在美国每年要夺去19 000 人的生命)]。一种纳米刀可望充当救星的角色。

  IBM 公司阿尔马登研究中心的科学家设计出了一种可以刺穿细菌的细胞膜,从而彻底干掉细菌细胞的纳米微粒。

  纳米微粒的外壳带正电荷,这使它们可以结合在带负电的细菌细胞膜上。 “微粒进来后,便黏附到细胞膜上,并把它的里面向外翻出,然后钻入细胞膜中,”IBM 材料科学家吉姆·赫德里克(Jim Hedrick )说,他与新加坡生物工程与纳米技术研究所的研究人员合作致力于此项目。没有一个完整的细胞膜,细菌会很快干瘪下去,犹如被戳破的气球一样。因为人的细胞膜上并没有细菌细胞膜所带的负电荷,所以它们不会与红血球接触,这种纳米微粒也就对人无害。纳米微粒完成杀菌的任务后,酶就把它分解掉,并由人体将它们排出体外。

  赫德里克期望看到针对纳米微粒的人体试验在今后几年开展起来。如果这一方案站得住脚,医生就可以把融入了纳米微粒的乳胶或药水喷在医院病人的皮肤上以防MRSA 感染,也可把纳米微粒注入血流,以封杀全身性耐药病菌,例如可能引发坏血症并致人于死地的链球菌之类。不过,即使此法真的获得成功,我们还须克服一想起有“纳米钻头”跑进了血流中就惶惶不安的感觉。而地球上最难缠的病菌是绝不会轻易认输的。

二、能源:供电动汽车使用的液体燃料

能源:供电动汽车使用的液体燃料
  要让电动汽车跑上数百千米而中途不用充电,提高电池性能是关键。但现有技术的改进却始终是小打小闹,突破性进展总让人觉得遥不可及。不过,采用一种新方法来安排现代电池的内部架构,有望使电池容量翻一番。

  这个想法由麻省理工学院教授蒋业明(Yet–Ming Chiang )提出,他在度假时想到了这个创意,并与别人合作创办了A123 系统公司。蒋业明认为,推动电解液穿过电池的所谓“液流电池”具有一些极佳的特性,而现今最高水平的锂离子电池,即已经在日常电子产品中普遍使用的那种电池,则有较大的能量密度,如果能找到一种方法把两者的优势结合起来,那会怎样呢?

  液流电池将电能存储在电解液槽中,它的缺点是能量密度较低。其优点则是大小随意,扩容易如反掌:要提高电池容量,只须建造更大的储能液槽即可。

  蒋业明与同事打造出了一种新电池的工作样品,它的能量密度与传统的锂离子电池相当,但其储能载体实质上则是与液流电池一样的液体。此载体外观如黑色泥浆,内含纳米级微粒及储能金属颗粒,蒋业明称它为 “坎布里奇原油”(Cambridge crude)。

  如果在电子显微镜下观察坎布里奇原油,会看见许多微尘大小的颗粒,其材料与构成许多锂离子电池负极和正极的材料相同,分别为锂钴氧化物(正极)和石墨(负极)。

  在这些悬浮于液体中的相对较大的颗粒之间,是一些由碳构成的纳米微粒,它们正是此发明的“秘密调料”。纳米微粒集聚起来打造出一个海绵状的网络,形成一条条把存储着离子和电子的较大电池颗粒连接起来的“液体导线”。在其流动时,纳米组分也

  始终维持着电子运动的路径,使电子在各个 储能载体颗粒之间畅行无阻。

  新电池的工作载体可以流动,这诱发了 一些美好的憧憬,比如安装了这种电池的汽 车驶入服务站后不用充电,直接加坎布里奇 原油即可。蒋业明的合作伙伴、麻省理工学 院的W· 克雷格·卡特(W.CraigCarter )提出, 用户或许可以更换一种状如燃气罐而内装电 解液的装置,而无须在插座上充电。 但是,将充电电解液注入或取出电池, 并非蒋业明眼下着力开发的首项产业化应 用。他已经同卡特及实业家斯鲁普· 怀尔德(Throop Wilder )合作创建了一家名为24M Technologies 的新公司,将其团队的研发成果 推向市场。对于该公司即将推出的第一款产 品,卡特与蒋业明皆守口如瓶,但他们强调, 这些电池完全适合于电网储能等应用场合。 蒋业明指出,即使储电量不大,也可能对风 能及太阳能等间歇性能源的性能产生显著影 响。以他的设计为基础的大规模储能电池的 能量密度至少将达传统液流电池的10 倍,这 样电池可做得更加紧凑,成本也可能更低。

  不过,坎布里奇原油要实现产业化应用, 还有很长一段路要走。一所重点科研院校储 能工程的负责人指出:“对此持怀疑态度的人 可能会说,他的新设计遇到的棘手向题,要 比某种潜在解决方案带来的好处多得多。”将 电解液泵送过电池槽需要增添机械装置,从 而加大系统的重量,这当然让人不爽了。“泵、 储能缸、管道等的重量和体积,以及电解液 和碳添加剂等额外所需的重量和体积加在一 起,可能使这项技术在重量上超过现有技术 水准的电池。”此外,随着时间的推移,经过 多次充放电之后,它的稳定性可能也不及传 统锂离子电池。

  更根本的问题在于,这种新电池的充电 太慢,据卡特说要比传统电池慢上2 ~ 4倍。

  这对汽车来说是个令人头疼的事,因为汽车 需要快速传送动力。一种解决办法是让这种 电池与传统电池或超级电容器(它可在几秒 内释放出所存储的电能)搭配使用,在刹车 和加速期间由后者提供缓冲的传动。

  但这种新方案仍然大有潜力。美国爵硕 大学材料工程师尤里· 高果奇(YuryGogotsi) 指出,将能量存储在“微粒型流体”中的装置 应该与几乎任何一种电池化学体系相容,从 而使它对电池行业未来的革新起到推动作用。 高果奇说:“它为电池设计开辟了一条新路。 ”

三、农业:无须重新种植的作物

在农业出现之前,地球上绝大部分地方都被多年生的植物覆盖着。后来这些植物逐渐被每年都必须重新种植的粮食作物取代。现在科学家打算培育多年生的玉米和小麦等常见农作物,以扭转多年生植物每况愈下的趋势。如果他们取得成功,世界上某些最饥饿的地区的农田产量可望突飞猛进,而且这些植物说不定还会把地球大气层中过多的碳吸收掉一些。

  农业生态学家杰里· 格拉福尔(Jerry Glover )指出,以多年生作物取代同类的一年生作物是农业科学家几十年来追求的梦想,但让梦想成真所需要的遗传技术却直至最近10 到15 年间才浮出水面。与每年都必须重新种植的作物相比,多年生植物具有一系列优势。比如,它的深层根系有利于防止水土流失,可以帮助土壤保住如磷之类的重要矿物质,而且它们需要的化肥和水也少于一年生作物。传统方法种植的一年生作物是大气中碳的来源之一,而种植多年生作物的土地无须耕耘,这就使它们变成了一片可以大量吸收二氧化碳的碳池。

  马拉维的农民已经在通常种植主要粮食作物玉米的田地里间作多年生木豆,从而大大提高了作物产量。木豆是温饱型农户急需的蛋白质来源,它增强了土壤的水分保持能力并使土壤的碳和氮的含量翻一番,同时又不会降低一块地上主要作物的产量。

  多年生作物发展的下一阶段,就是在传统作物的种植规模的基础上引进多年生作物,但这需要大量研究工作来支持。美国康奈尔大学的植物遗传学家埃德· 巴克勒(Ed Buckler )有意开发一种多年生玉米。他认为,找出与多年生特性相关的基因需要5年时间,而培育一个实用的品种还需要再用10 年。格拉福尔宣称:“即使借助现有的最高端的技术,培育出多年生玉米肯定也是20 年后的事情了。

  ” 科学家一直在使用先进的基因分型技术(genotyping technology )来加速开发多年生作物。现在他们可以快速分析具备有利特性的植物的基因组,以找出基因和这些特性的联系。第一代植物结出种子后,研究人员就直接对幼苗进行测序分析,以从数以千计的幼苗中锁定保留了有利特性的少数几株幼苗,而无须等待这些幼苗过几年长成之后再进行测序。

  一旦取代一年生作物的多年生品种登场,它们的普及就可能对碳排放产生极大影响。关键在于,多年生作物的根系有极强的固碳效果——它可以在每立方米表层土中封存相当于土壤质量1% 的碳。英国生物技术与生物科学研究理事会会长道格拉斯· 凯尔(Douglas Kell )计算出,每年只要把全球一年生作物的2% 改为种植多年生作物,就能吸收足够多的碳,扭转大气中二氧化碳含量有增无减的势头。而如果将地球上所有耕地全部改种多年生作物,封存的碳可以达到全球二氧化碳总量的 118ppm (百万分之118),换言之,足以把大气中温室气体的含量拉回到工业革命以前的水平。

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