《科學(xué)美國(guó)人》評(píng)2016年十大創(chuàng)新技術(shù)

　　改變世界”這個(gè)詞已經(jīng)被用濫了，但對(duì)晶體管、萬(wàn)維網(wǎng)和手機(jī)這類(lèi)發(fā)明，要形容其撼動(dòng)世界歷史的影響力，還有別的合適詞語(yǔ)嗎？的確有一些創(chuàng)新改變了歷史的方向。本文介紹的碳呼吸電池、手術(shù)機(jī)器人、量子衛(wèi)星和另外七種創(chuàng)新能否產(chǎn)生相似的效果呢？現(xiàn)在下結(jié)論還為時(shí)尚早。大多數(shù)創(chuàng)新方案最終都失敗了，最偉大的創(chuàng)意往往也伴隨著最高的風(fēng)險(xiǎn)。但一個(gè)創(chuàng)意從引人發(fā)笑到變成大勢(shì)所趨，往往用不了多長(zhǎng)時(shí)間。而其中有一些，顯然會(huì)帶來(lái)變革。

　　——《科學(xué)美國(guó)人》編輯部

　　1、碳呼吸電池

　　電化學(xué)電池能夠吸收大氣中的碳，將其轉(zhuǎn)化為電能。

　　單單削減溫室氣體排放量已經(jīng)不足以阻止全球變暖?，F(xiàn)在，我們必須將大氣中已經(jīng)存在的二氧化碳清除一部分。好消息是，做這件事的方法有很多；壞消息是，這些方法基本上都需要消耗大量能源。

　　理想的碳封存技術(shù)應(yīng)該可以產(chǎn)生電能，而不是消耗能量。在2016年7月發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上的一篇論文中，美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員瓦迪·阿爾· 薩達(dá)特（Wajdi Al Sadat）和林登·阿徹（Lynden Archer）描述了一種能夠捕捉二氧化碳的電化學(xué)電池的設(shè)計(jì)方案。

　　電池的陰極材料采用的是鋁，這種金屬成本低、儲(chǔ)量大、易于加工。陽(yáng)極由多孔碳構(gòu)成，研究人員向其中注入氧氣和二氧化碳的混合物。鋁、氧氣和二氧化碳在電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電能并生成草酸鋁。薩達(dá)特和阿徹表示，在一個(gè)1.4伏電池的生命周期中，電池所吸收的碳是制造電池時(shí)所釋放的碳的2.5倍。阿徹解釋說(shuō)：“即使你把二氧化碳的主要來(lái)源都考慮進(jìn)來(lái)，我們的電池的碳排放量也是負(fù)的。”

　　而碳吸收過(guò)程的化學(xué)副產(chǎn)品──草酸鋁也很有價(jià)值。草酸鹽可作為清潔劑和漂白劑，全球每年需求量大約為23萬(wàn)噸。電化學(xué)電池每多產(chǎn)出一噸草酸鹽，會(huì)排放二氧化碳的草酸鹽工廠就可以少生產(chǎn)一噸。如果把這些減排因素考慮進(jìn)去，用來(lái)制造電池的每千克鋁可以吸收3.52千克二氧化碳。

　　阿徹表示，要想把這個(gè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)用的技術(shù)，他和同事還有很長(zhǎng)的路要走。首先，他們需要證明該技術(shù)的成本效益足夠高，并且規(guī)?？梢詳U(kuò)展。阿徹預(yù)計(jì)，如果他們能成功實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)化，將來(lái)這種電池會(huì)配備在發(fā)電站和汽車(chē)排氣管上。“這樣你不只是減少了二氧化碳，而且在利用二氧化碳。”

　　2、全新的抗生素

　　設(shè)計(jì)新型化合物的方法可用來(lái)對(duì)抗耐藥菌。

　　很難想象一個(gè)沒(méi)有抗生素的世界是什么樣的，不過(guò)因?yàn)榇笠?guī)模地濫用抗生素，我們正走近這樣的世界。美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心（Centers for Disease Control and PrevenTIon）表示，僅在美國(guó)，每年就有超過(guò)23000人因感染抗生素?zé)o法對(duì)付的病菌而死亡。英國(guó)政府資助的一項(xiàng)研究估計(jì)，到2050年，全世界每年會(huì)有1000萬(wàn)人死于耐藥菌?？茖W(xué)家正苦苦尋找能殺死超級(jí)病菌的新藥，例如大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素（macrolide）。大環(huán)內(nèi)酯是抗生素的一大門(mén)類(lèi)，可以治療一般的細(xì)菌感染，包括肺炎、鏈球菌性咽炎、耳部和皮膚感染，以及性傳播疾病。

　　研究人員已經(jīng)嘗試過(guò)修改已有抗生素的化學(xué)性質(zhì)，讓它們更有效地治療耐藥菌株，不過(guò)到目前為止沒(méi)有取得什么進(jìn)展。大環(huán)內(nèi)酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)很難修改，而且大環(huán)內(nèi)酯的原材料是在裝著工業(yè)細(xì)菌的大型發(fā)酵罐里制造出來(lái)的——這個(gè)過(guò)程很難精確控制。“化學(xué)家們?cè)谶^(guò)去的幾十年里一直束手無(wú)策，”哈佛大學(xué)化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)教授安德魯·邁爾斯（Andrew Myers）表示。

　　不過(guò)，邁爾斯和他的團(tuán)隊(duì)找到了從頭合成大環(huán)內(nèi)酯的方法。為了合成這種化合物，研究人員把大環(huán)內(nèi)酯的結(jié)構(gòu)分解成8個(gè)基本模塊，然后以新的形式把它們組合起來(lái)，利用不同的組合方式調(diào)節(jié)其化學(xué)性質(zhì)。邁爾斯團(tuán)隊(duì)在2016年5月發(fā)表于《自然》雜志的論文中表示，他們已經(jīng)合成了超過(guò)300種新型化合物。研究人員使用了14種致病細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)化合物可以抑制細(xì)菌，而且有很多可以殺死耐藥菌株。

　　此后，研究人員又制造了300種新型化合物。邁爾斯成立了一家制藥公司Macrolide PharmaceuTIcals，把這些新藥推向市場(chǎng)。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始研究另外兩類(lèi)抗生素：林可酰胺類(lèi)抗生素（lincosamide）和氨基糖苷類(lèi)抗生素（aminoglycoside）。在他們發(fā)明的化合物中，只有少部分會(huì)變成實(shí)用的抗生素，而且即使是這些抗生素也需要很長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn)在藥店中。但是邁爾斯有信心，他的研究（和類(lèi)似的研究）會(huì)幫助我們擊敗超級(jí)細(xì)菌。他說(shuō)：“我非常樂(lè)觀，隨著我們繼續(xù)進(jìn)行研究，肯定能獲得更好的結(jié)果。”

　　3、量子衛(wèi)星

　　量子密鑰的天基傳輸可能會(huì)讓“不可攻破”的互聯(lián)網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　要建立絕對(duì)安全的加密方法，并不需要比鉛筆和紙更高級(jí)的技術(shù)：只要選擇一串隨機(jī)的字符和數(shù)字，用作加密信息的密鑰。把這個(gè)密鑰寫(xiě)在一張紙上，用一次之后把紙燒掉就行。關(guān)鍵是要確保沒(méi)有人能攔截或篡改密鑰。而在互聯(lián)網(wǎng)上，竊取或篡改密鑰的事情一直沒(méi)斷過(guò)。量子密鑰分發(fā)（Quantum-key distribuTIon，QKD）可以解決這個(gè)問(wèn)題，該方法會(huì)從糾纏光子中生成一個(gè)一次性密鑰。糾纏光子即量子狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的光子，如果其中一個(gè)光子受到擾動(dòng)，另一個(gè)光子也會(huì)立即受到影響，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。量子密鑰分發(fā)的問(wèn)題是，沒(méi)人知道如何長(zhǎng)距離傳輸糾纏光子。然而今年8月，中國(guó)科學(xué)院成功將世界第一顆量子衛(wèi)星送入軌道，為解決這個(gè)問(wèn)題邁進(jìn)了一大步。

　　中國(guó)科學(xué)院的項(xiàng)目名為量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（QUESS），是與奧地利科學(xué)院合作的項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用衛(wèi)星向中國(guó)境內(nèi)相距1200千米的兩個(gè)觀測(cè)站傳輸量子密鑰，這一距離是目前最遠(yuǎn)傳輸紀(jì)錄的8倍。原紀(jì)錄是由《科學(xué)美國(guó)人》顧問(wèn)、奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的團(tuán)隊(duì)于2012年創(chuàng)造的。天基平臺(tái)（space-based platform）是長(zhǎng)距離傳輸?shù)奈ㄒ贿x擇，蔡林格說(shuō)：“地面上找不到能看到1000千米之外的地方。”現(xiàn)在，蔡林格正與他從前的學(xué)生、QUESS項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉合作。

　　如果中國(guó)研究人員創(chuàng)造了量子密鑰傳輸距離的新紀(jì)錄，那么未來(lái)的衛(wèi)星就能提供一個(gè)軌道平臺(tái)，建立起不可攻破的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，物理定律可以確保加密數(shù)據(jù)包的絕對(duì)安全。蔡林格解釋說(shuō)：“我們希望能建立洲際量子通信，這不再只是個(gè)科幻概念，而是未來(lái)的計(jì)算機(jī)彼此溝通的一般方式。”