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国外集锦

2015-04-07 03:16:45

纳米机器人——人类未来的体内医生

     全球科技大会上谷歌X实验室生命科学小组负责人安德鲁·康拉德透露,谷歌正在设计一种纳米磁性粒子,这种粒子可以进入人体循环系统,进行癌症和其他疾病的早期诊断与治疗。

  这种纳米磁性粒子就是大名鼎鼎的“纳米机器人”。纳米机器人的概念最早是由诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼1959年提出的。他认为人类未来有可能建造一种分子大小的微型机器,可以把分子甚至单个原子作为建筑构件,在非常细小的空间里构建物质。这意味着人类可以在底层空间制造任何东西。

  这不是科幻,而是人类未来的医学革命。上面描述的这种机器人,可能不久之后就能应用到实际临床医学中去,如今不少科学家已经踏上实现这个梦想的征程。不论是能够终结癌细胞的DNA机器人,还是能够在体内“巡逻”的“健康卫士”,都在纳米尺度世界中完成现有科技条件下无法完成的任务。

  理查德·费曼提出的概念,确切地说应该属于纳米操作机器人,其本身体积可能超过了纳米级别。但其所能操控的物体属于纳米尺度。谷歌X实验室研发的纳米机器人,则是指自身体积在纳米级别内的机器人。肉眼根本看不见,但其作用却十分重要,其可以诊断和治疗疾病。

  当今机器人已成为科学界的热门话题,随着20世纪90年代纳米技术的兴起,人们对微型机器人的研究便在全世界范围内开花,特别是对纳米机器人在生物医学上的应用研究。21世纪是生命科学的时代,纳米技术与生物医学结合而形成的纳米生物学将是21世纪生命科学的重要组成部分,而纳米机器人将是纳米生物学中最具诱惑力的成就。

  纳米机器人的研制属于分子仿生学范畴,它根据分子水平的生物学原理设计制造,并在纳米空间控制、操作。它可以精确杀死癌细胞,疏通血栓,清除动脉内的脂肪沉积,清洁伤口,粉碎结石等。以色列科学家目前研制了一种微型纳米机器人,它可以在人体内“巡逻”,在锁定病灶后自动释放所携带的药物。

  当你感冒时,医生不用给你打针吃药,而是给你在血液里植入纳米机器人,这种机器人在体内探测感冒病毒的源头,并到达病毒所在处,直接释放药物杀灭病毒。 

  20105月美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由脱氧核糖核酸(DNA)分子构成的纳米蜘蛛机器人,它们能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止,并且它们能够自由地在二维物体的表面行走。这种纳米蜘蛛机器人只有4纳米长,比人类头发直径的十万分之一还要小。

  我国中科院沈阳自动化研究所成功研制了一台纳米微操作的机器人系统样机,可在纳米尺度上切割细胞染色体。这种机器人在很多性能方面处于世界先进水平。我国重庆某研究所研制的名为“OMOM胶囊内镜系统”的纳米机器人医生,它可以钻进人的肚子里,把人体内的图像传到电脑屏幕上,这项技术全球领先。纳米机器人医生不但具有检查方便、无创伤、无痛苦、无交叉感染、不影响患者的正常工作等特点,还可以改善人类的大脑功能,未来的人类将会成为“新人类”。

  纳米机器人不只是治感冒,它还可以精确找到癌细胞,并杀死它,这项科研工作我国东南大学十多年前就开始研究了。但迄今为止,纳米机器人技术依然停留在研发试验阶段,总是有一些技术障碍使其未能真正进入临床。主要是科研人员尚未给纳米机器人找到成熟精准的“导航系统”。由于人体的静脉、动脉网络系统十分复杂,而且纳米机器人如果不需要停留在人体内发挥作用时必须为它找到合适的出口。这些都需要科研人员进一步研究解决。

  尽管如此,但未来的体内医生定会实现。微型纳米机器人未来或将成为治癌的主力。我国着名学者周海中教授1990年发表文章预言,到21世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。用不了多久,分子大小的纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。(刘念摘编)

  

电力辅助自行车蹬车取电时速可达160Km

   国外媒体报道?人力躺车可能成为汽车的奇妙替代品。由于不快,靠踏板驱动的自行车至今依然不是旅行用交通工具的理想选择。但现在,美国发明人里奇-罗恩菲尔德研发出一种叫“拉特赛车”(Raht Racer)的电力辅助型躺车。这种新型自行车最高时速可达100英里(约合160公里)。

   罗恩菲尔德表示:“拉特赛车是一种像自行车一样获取动力的交通工具。它通过最先进的电动踏板混合技术增大踏板动力,使骑车者的双腿驱使这种车辆在公路上快速行驶,对于一辆自行车来说,踏板就是加速器。拉特赛车同样具有这个特点,但它的速度却是自行车的100倍。”

拉特赛车的踏板和一个独特的飞轮发电机相连,而不是像传统躺车一样直接驱动车轮。拉特赛车的踏板为一个20千瓦时的电动机提供电力。这个电动机位于后轮毂中。罗恩菲尔德将扭矩技术应用到踏板上,大幅提升了它的作用。这使大多数人能以约348公里的时速驾驶拉特赛车。

   这种新型自行车的车身可容纳两人,用碳纤维制造而成,包括一个防滚架、前灯、座位灯、安全气囊和一个行李箱等。一个2千瓦时的锂离子电池组从蹬车中获取电力,帮助约259公斤重的拉特赛车在道路上快速行驶。达到节流模式时,仅用电池电源,拉特赛车就可行驶约80公),同时最高时速可达100英里。

    罗恩菲尔德已研发出一个模型,目前正在美国创意方案众筹网Kickstarter上开展一个筹款活动,目的是开发拉特赛车的商业模型。这个众筹活动的信息显示:“根据编程或预定的方案,该系统提供可变电阻。与此同时,扭矩技术大幅提升踏板功能。”据估计,如果筹款活动顺利实现目标,拉特赛车开始时将以3.5万美元(约合2.28万英镑)的价格出售。(刘念摘编)

 

 

梦想材料“硅烯”走进现实 或将赶超石墨烯

   7年前,硅烯还只是理论学家的一个梦想。受石墨烯——由仅是单原子厚度的按蜂窝状晶格排列的碳原子构成的着名材料——热情的驱动,研究人员推测,硅原子也可能形成类似的表面。而且如果它们可以被用于制作电子产品,硅烯胶片将会使半导体工业实现微型化的终极梦想。

  美国得克萨斯州立大学纳米材料研究人员、参与制作这个晶体管的Deji Akinwande说,尽管该设备的性能目前仍比较普通,使用寿命也仅能以分钟来计,这一理念的证实已经引起轩然大波。法国马赛第一大学材料科学家Guy Le Lay同意他的说法。“没有人预料到会在如此短的时间内实现它,毕竟不能用一种全然不存在的材料制造晶体管。”他说。

  Le Lay是首批自2012年开始进行实验室硅烯研究的科学家之一。随着硅烯晶体管走进现实,对石墨烯不适宜用来制作晶体管的认识也与日俱增。石墨烯或许是世界上导电性能最好的物质,但却缺少一种关键特性。和计算及芯片中使用的半导体不同,它缺乏带隙——电子携带电流之前必须跃过的能量跨栏。带隙可以让半导体设备关闭,执行“合乎逻辑”的操作。

  “对于逻辑应用来说,石墨烯可以说没有一线希望。”Le Lay说。相较而言,硅烯拥有带隙,因为它的一些原子会向上扣形成波纹脊,让其中一些电子处于能量略微不同的状态。而且,电脑芯片生产商在放弃数十年硅晶体管生产经验而选择碳晶体管方面一直十分谨慎,查尔斯顿南卡罗来纳州军事学院理论物理学家Lok Lew Yan Voon说。他率先为硅烯命名,并在2007年就模拟了其属性。

  但在实验室中处理硅烯一直存在巨大挑战,这种材料不能像石墨烯那样,形成块状石墨然后用胶带从固体砌块上剥下来。取而代之的是,研究人员通过让硅原子热蒸汽在真空室中浓缩到一块透明的银块上来获取它,这是一个非常复杂的过程。而且不像稳健的石墨烯,单独的硅烯在空气中极不稳定,很难把轻薄的表层镀到更加有用的基底上——如晶体管的内壁。正因为如此,直到去年,一些研究人员还在质疑硅烯究竟是否存在。

  Akinwande加入了意大利微电子和微系统研究所Alessandro Molle的团队,目标是给硅烯提供保护。他们在一层薄银涂层上制作了一个硅烯胶板,并在上面添加了5纳米厚的氧化铝涂层。然后,他们把硅烯的夹心结构从云母基底上剥落,使含银的一面朝上,并把它放在氧化硅基底上。最终,他们轻轻地蚀刻掉一些银,留下两个金属“岛屿”作为电极,中间留下一条外露的硅烯带连接两个小岛。

  “这是一项非常巧妙的技术。”Le Lay说,他打算尝试用锗烯—— 一种化学性质非常活跃的用锗制成的相似“二维结构”材料——重复这一过程,他与团队于去年发明了这种材料。

  尽管技术十分巧妙,但是这种晶体管仍不能在短期内应用于移动手机:因为外露的硅烯2分钟左右就会退化。然而,这段时间已足以检测其特性。尽管其电子运动与石墨烯相比较慢,但该设备确实具备一个小带隙。

  如果在硅烯晶体管上加一层涂层也可以延长其寿命。Akinwande曾用聚四氟乙烯帮助磷烯胶片——另一种由磷制成的活性二维材料——“生存”了数月。其他研究人员也表示,用多层硅烯可以在牺牲掉表层涂层的同时,保护下面的硅烯使用24小时。更关键的是,制作硅烯晶体管的技术可以通过各种方法去尝试,而且还可以利用各种对空气敏感的活性材料。“它绝对是游戏改变者。”Lew Yan Voon说,“这是我们期待的文章。”

然而,并非所有人都对硅烯的未来持乐观态度。现在,关于硅烯、锗烯、磷烯的讨论有很多,它们面临的问题也相当多。尽管如此,Le Lay坚信,研究人员一定会向硅烯聚拢。“现在已经研制出一种设备。”他说,“其他科学家会认为,它已经不再是想象中的材料,而是的的确确的现实。”(刘念摘编)

 



德国研发出彩色太阳能光伏电池表面涂层技术

 

    目前的太阳能电池面板大多非黑即灰,色彩单调,安装在建筑上将改变建筑的外观,在对个性化设计需求比较高的场合使用受到很大的局限(如利用太阳能自行供应电能的广告板等)。德国弗劳恩霍夫应用光学及精密机械研究所新近研发出一种太阳能光伏电池板表面涂层技术,可以为太阳能光伏面板赋予各种不同的色彩,同时提高光电转换效率。

  这种透明的表面涂层厚度只有几百纳米,主要由氧化锌和铝构成,具有导电性,其折射率比硅材料小,可以形成反射层,增加光线进入硅太阳能电池板的效率,特别是通过调节透明氧化物导电涂层的厚度或调节其折射率,可以使太阳能光伏面板呈现出不用的色彩。该项技术已申请专利保护。目前科研人员正在进行深度开发,试图用 喷墨 工艺开发在硅太阳能光伏电池薄板上形成透明导电涂层的新工艺,以简化加工过程,降低成本加工,满足更加广泛的使用要求。

  

科学家最新发现安全制氢储氢有了新思路

    随着氢燃料电池汽车的发展,寻找安全高效的储氢材料就变得越来越重要。我国科学家发现锂的亚氨基化合物(Li2NH)与氮化铁复合后表现出优异的催化氨分解制氢活性,这为安全制氢储氢提供了一种新的思路。相关论文在线发表在最新一期的《德国应用化学》杂志上。

  氨具有较高的氢含量(17.7%)、较高的能量密度(4千瓦时每千克)和易于储存的特点,它在运输及分解过程中还不产生一氧化碳和二氧化碳,因此氨被认为是具有潜在应用前景的新型能源载体。这些特点使科研人员对它的兴趣大增。在这个新型能源载体中,氨的催化分解制氢是重要的一环。

  近日,中科院大连化物所洁净能源国家实验室氢能与先进材料研究部陈萍研究员带领的研究团队,发现锂的亚氨基化合物与氮化铁复合后表现出优异的催化氨分解制氢活性。在相同反应条件下,如450℃时,该复合催化剂体系的活性(每克催化剂每小时可转化9.7氨)较负载型铁基催化剂(每克催化剂每小时可转化0.74氨)或氮化铁(每克催化剂每小时可转化0.4氨)高出一个数量级。

  在此发现的基础上,该研究组进一步发展了一新型氨分解催化剂体系,即亚氨基锂与第三周期过渡金属或其氮化物的复合催化材料体系,不仅从新的角度阐释了碱金属助剂的作用,也为高效催化剂的设计,尤其是替代贵金属催化剂的设计提供了新的思路。

  目前,研究人员正对此类材料的制备及催化性能做进一步优化,希望在不久能与燃料电池系统联用。

 (刘念摘编)