2019年，科學突破層出不窮

科技改變生活。這一年，各國科學家又讓科學的腳步再次向前邁進。棉花種子在月球發(fā)出第一株嫩芽，室溫下氣態(tài)二氧化碳首次轉化為碳電池，最輕中微子的質量被算出，3D打印出會呼吸的人體器官……盡管這其中的具體原理有些高深莫測、晦澀難懂，但不得不說，它們刷新了我們的認知，而這些發(fā)現(xiàn)，也正在或終將切切實實地影響我們的生活。

歲末之際，我們回望并梳理了一年來的科技大事件，以此紀念不平凡的2019。

棉花種子在月球上發(fā)芽

棉花種子成為人類在月球上種植出的第一株植物嫩芽。1月15日，重慶大學舉辦嫦娥四號生物科普試驗載荷新聞發(fā)布會，對外正式公布這一消息。

“這是人類首次在月球上開展生物試驗。”重慶大學副校長、科普載荷項目總指揮劉漢龍介紹。

由重慶大學牽頭的嫦娥四號生物科普試驗載荷內搭載了棉花、油菜、土豆、擬南芥、酵母和果蠅6種生物，均放置于密封的生物科普試驗載荷罐內。生物科普試驗載荷罐是一個高度密封的圓柱形抗壓容器，由高性能鋁合金制成并進行了防腐處理。“罐子”直徑173毫米、高198.3毫米，由結構模塊、熱控模塊、控制模塊等組成，載荷內除搭載6種生物外，還有18毫升水，以及土壤、空氣、熱控和兩個記錄生物生長狀態(tài)的相機。

載荷罐在登陸月球后第一天——1月3日23時18分加電開機，開始進入生物月面生長發(fā)育模式。1月12日20時，隨嫦娥四號登陸月球背面的生物科普試驗載荷罐傳回最后一張試驗照片，顯示罐內生長出的棉花種子嫩芽長勢良好。

室溫下二氧化碳氣體變電池

2月，英國《自然·通訊》雜志發(fā)表了一項化學最新突破，科學家首次在室溫下將氣態(tài)二氧化碳轉化為固體碳材料，并用于能量儲存。該方法將為去除大氣中的二氧化碳作貢獻，成為可行的“負碳排放”技術。

眾所周知，“負碳排放”技術對于維持未來氣候的穩(wěn)定至關重要。雖然目前很多研究都專注于將二氧化碳還原成高附加值產(chǎn)品，如化學原料和燃料，但這些方法無法實現(xiàn)永久性碳捕捉。

此次研究人員研發(fā)了一種液態(tài)金屬電催化劑。這一液態(tài)金屬催化劑基于無毒鎵合金，能防止結焦，即固碳吸附于催化劑表面，降低催化劑的活性。研究團隊隨后將收集得到的固體產(chǎn)物制成超級電容，該超級電容器未來有望成為輕量級電池材料。

研究人員指出，此前的碳納米材料制備方法通常需要幾百攝氏度的高溫，而他們研發(fā)的技術可以幫助降低二氧化碳轉化的高能耗需求?？茖W家認為，這項研究對于去除大氣中的二氧化碳具有重要應用價值。

第三種五夸克粒子被發(fā)現(xiàn)

4月，歐核中心大型強子對撞機(LHC)LHCb團隊發(fā)現(xiàn)了第三種五夸克粒子。新結果有望進一步揭示夸克理論的諸多奧秘。

此前，五夸克態(tài)物質的存在只停留在理論階段，2015年，LHCb宣布發(fā)現(xiàn)首個五夸克粒子。如今，該團隊在對該粒子進行檢查時，發(fā)現(xiàn)它已一分為二。原來，最初的五夸克實際上是兩個獨立的五夸克(被稱為第一種和第二種五夸克粒子)，它們質量相近，宛若一個粒子。

夸克理論是粒子物理學標準模型的關鍵組成部分。該理論認為，存在上、下、粲、奇、底和頂6種夸克，它們都擁有自己的反物質。

夸克和反夸克結合會形成“強子”。強子分兩類：由3個夸克構成的“重子”(包括質子和中子)和由夸克、反夸克組成的“介子”。

科學家也提出了其他更奇特的夸克組合，比如，由兩個夸克和兩個反夸克組成的四夸克粒子，以及由4個夸克和1個反夸克組成的五夸克粒子。那么，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的3種五夸克是5個夸克均勻混合，還是由一個重子和一個介子黏在一起形成的松散“分子”?團隊目前傾向于后者。

超導材料最高臨界溫度刷新

5月，超導材料最高臨界溫度刷新一事，再次吸引了世人的目光。

超導材料能無損耗傳輸電能，但其應用卻因超導態(tài)嚴苛的低溫要求而受限。因此，實現(xiàn)室溫超導成為科學家的重要目標，如今他們離這一目標越來越近。在《自然》雜志上，美德兩國科學家組成的研究小組發(fā)表論文稱，他們實驗證實，高壓下的氫化鑭在250K(K代表絕對溫標開爾文，250K大約為-23℃)時具有超導性。

據(jù)報道，研究人員使用一種被稱為金剛石壓腔的設備，利用兩顆金剛石擠壓一小塊兒鑭樣品，使其在170吉帕的高壓下轉化為氫化鑭化合物——LaH10，然后用X射線探測其結構和成分。研究人員觀察到LaH10具有零電阻、在外加磁場作用下臨界溫度會降低、同位素效應(臨界溫度依賴于同位素質量的現(xiàn)象)這3個超導材料特征，但因樣本量太小而無法對超導材料的另一個重要特征——邁斯納效應(一種超導體對磁場的排斥現(xiàn)象)進行觀測。他們表示，其所觀察到的3個特征已可以證明，在250K的溫度下，氫化鑭在超過100萬倍地球大氣壓下會變成超導物質。

250K，是目前人類高溫超導的最新紀錄，比此前的最高臨界溫度增加了50K左右。

3D打印會“呼吸”的人造器官

5月，《科學》雜志封面報道了美國萊斯大學與華盛頓大學的研究團隊主導的一項具有里程碑意義的研究成果。該團隊克服了3D打印器官的一大障礙，創(chuàng)造出一個由水凝膠3D打印而成的肺氣囊模型。該模型具有與人體血管和氣管結構相同的網(wǎng)絡結構，能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。而只有打印的組織能像健康組織一樣“呼吸”，且構建出可與其他組織交互的管路系統(tǒng)，它們在功能上才會更接近健康組織。

研究人員表示，在制造具有功能的組織替代品時，面臨的一大攔路虎就是無法打印那些為組織輸送營養(yǎng)的血管。為了解決這一問題，這支團隊使用了一種全新的3D打印技術。首先，在電腦設計過程中，將復雜的三維結構分解為多層二維打印的藍圖;其次，使用一種液體的水凝膠溶液按藍圖進行打印，并通過特殊的藍光進行逐層固化。經(jīng)過一層一層的堆積，就形成了一個三維的凝膠結構。在測試中，研究人員欣喜地發(fā)現(xiàn)，當紅細胞從這一系統(tǒng)打印出的“血管”中流過時，能夠有效從呼吸的“肺部”獲取氧氣，這與肺泡附近的氧氣交換如出一轍。

給量子糾纏拍攝首張“寫真”

7月，英國物理學家首次拍攝到一種量子糾纏的照片，這一結果有望促進量子計算等領域的發(fā)展。

在量子力學領域，兩個相互作用的粒子——例如通過分束器的兩個光子，無論它們相隔多遠，仍能以一種非常奇怪的方式“糾纏”在一起，瞬間共享它們的物理狀態(tài)。這種聯(lián)系被稱為量子糾纏，是量子力學領域的基本現(xiàn)象之一，愛因斯坦曾將其稱為“幽靈般的超距作用”。

今天，雖然量子糾纏在量子計算和密碼學等實際應用中大顯身手，但這種現(xiàn)象從未被拍攝到。最新研究中，英國格拉斯哥大學的物理學家設計了一套系統(tǒng)，該系統(tǒng)朝著在液晶材料上顯示的“非傳統(tǒng)物質”發(fā)射了源于一個量子光源的一束糾纏光子，這些液晶材料會在光子通過時改變光子的相位。

他們放置了一臺超靈敏的相機，能夠檢測單個光子。在看到光子和與它發(fā)生糾纏的“雙胞胎”同時出現(xiàn)時，相機拍攝了圖像，首次為光子糾纏留下了珍貴的影像，得到的圖像顯示兩個光子似乎相互反射并形成了一個指環(huán)形狀。

論文第一作者、格拉斯哥大學物理與天文學院保羅-安東尼·莫羅博士說：“這張圖像是對自然基本屬性的優(yōu)雅展示，量子糾纏第一次以圖像的形式被看到，這一結果可推動量子計算新興領域的發(fā)展，并催生新型成像技術和設備。”

向“模擬大腦”邁進

7月，英特爾公司展示了其最新的Pohoiki Beach芯片系統(tǒng)。其包含多達64顆Loihi芯片，集成了1320億個晶體管，擁有800多萬個“神經(jīng)元”和80億個“突觸”。該芯片系統(tǒng)在人工智能任務中的執(zhí)行速度要比傳統(tǒng)CPU快1000倍，能效可提高1萬倍，可在圖像識別、自動駕駛和自動化機器人等方面帶來巨大技術提升。該神經(jīng)擬態(tài)系統(tǒng)的問世，預示著人類向“模擬大腦”這一目標邁出了一大步。

與人腦中的神經(jīng)元類似，Loihi擁有數(shù)字“軸突”用于向臨近“神經(jīng)元”發(fā)送電信號，也有“樹突”用于接收信號，在兩者之間還有用于連接的“突觸”。英特爾表示，基于這種芯片的系統(tǒng)已經(jīng)被用于模擬皮膚的觸覺感應、控制假腿等任務。

最輕中微子質量被限定

中微子無處不在，但由于它們幾乎不與普通物質發(fā)生反應，很難被探測到，所以被稱為“幽靈粒子”。盡管經(jīng)過50多年追尋，科學家仍對它們所知甚少，甚至不知道它們的質量。

8月，英國科學家限定了中微子家族中最輕成員的質量——不超過0.086電子伏特，約為單個電子質量的600萬分之一。

中微子的行為會改變整個星系和其他巨大天體結構的行為。基于此，研究人員從重子振蕩光譜巡天調查中獲取了約110萬個星系的運動數(shù)據(jù)，結合其他宇宙學信息和地球上中微子實驗獲得的結果，將所有這些信息輸入一臺超級計算機，計算出了最輕中微子的質量(有3種中微子質量)。

雖然物理學家可能永遠無法精確地確定這3種中微子的質量，但他們可以不斷接近。隨著地球上的實驗和太空測量的改進，中微子的質量范圍將不斷縮小，從而更好地解釋整個宇宙是如何組合在一起的。

制出世界上最黑的材料

9月，中美科學家報告說，他們研制出了一種比之前最黑材料還要黑10倍的材料。

新材料由碳納米管(CNT)陣列制成，可捕獲99.995%的入射光，是迄今為止最黑的材料。

這種新材料除了具有藝術表現(xiàn)力外，還可能具有實用價值，例如用于遮光罩中減少不必要的眩光、幫助太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)系外行星等。

研究合作者、上海交通大學材料科學與工程學院副教授崔可航表示，他們最初并不打算設計一種超黑材料，而是嘗試讓CNT在鋁等導電材料上生長，但讓CNT在鋁上生長遇到了麻煩。

鋁暴露于空氣中會被氧化，氧化物會覆蓋鋁，就像絕緣體一樣，導致鋁的導電和加熱性能無法改善。于是，他們開始尋找去除鋁氧化層的方法，結果發(fā)現(xiàn)鹽(氯化鈉)可以解決這個問題。

他們先把鋁箔浸泡在鹽水中，去除氧化層;然后，將鋁箔轉移到無氧環(huán)境中，防止其再氧化;最后，將蝕刻的鋁放入反應器中，并通過化學氣相沉積法來生長CNT。

“最令人吃驚的是得到的新材料極黑——該材料從各個角度吸收的入射光都大于99.995%。”崔可航說。

“萬物DNA”讓存儲無處不在

全球的數(shù)據(jù)量不斷增加，傳統(tǒng)的存儲架構，如硬盤和磁帶，越來越難以跟上數(shù)據(jù)存儲的需要。隨著這些裝置逐漸達到存儲極限，DNA被當作一種長期存儲方案提了出來。

過去的研究已經(jīng)強調了DNA的持久性和存儲海量信息的能力，現(xiàn)在研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的方式，可利用其持久性進行存儲。

10月，哥倫比亞大學著名專家、以色列計算遺傳學家亞尼夫·埃爾利赫與蘇黎世聯(lián)邦理工學院科學家運用“萬物DNA”特殊材料3D打印了一只“兔子”。

他們先將常見的計算機圖形測試模型“斯坦福兔子”的藍圖編碼為DNA兼容格式，再將其存儲在DNA分子中，進而將DNA分子封裝在二氧化硅小球內，將小球嵌入可生物降解的熱塑性聚酯中，最后使用所得的熱塑性聚酯3D打印了“兔子”。

之后，團隊利用存儲在“兔子”中的DNA進行復制：從3D打印兔身上截下一小塊，解碼其中包含的DNA分子。這樣創(chuàng)造出了5代“兔子”，且沒有任何信息損失，由前一代擴增的DNA被封裝到下一代中;DNA藍圖一直保持穩(wěn)定——即使第四代和第五代之間相隔了9個月。

在第二項實驗中，研究人員將一段有關華沙猶太區(qū)檔案的視頻編碼進樹脂玻璃中，再用該樹脂玻璃制造普通的眼鏡。只需一小塊樹脂玻璃，就能恢復其中隱藏的信息。

研究團隊由此提出了“萬物DNA”概念，將信息藏于其中，讓存儲無處不在。

關鍵詞： 3D打印 呼吸器官