《科學(xué)美國人》評2016年十大創(chuàng)新技術(shù)

　　改變世界”這個詞已經(jīng)被用濫了，但對晶體管、萬維網(wǎng)和手機這類發(fā)明，要形容其撼動世界歷史的影響力，還有別的合適詞語嗎？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。但一個創(chuàng)意從引人發(fā)笑到變成大勢所趨，往往用不了多長時間。而其中有一些，顯然會帶來變革。

　　——《科學(xué)美國人》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)進展》（Science Advances）上的一篇論文中，美國康奈爾大學(xué)的研究人員瓦迪·阿爾· 薩達特（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)計方案。

　　電池的陰極材料采用的是鋁，這種金屬成本低、儲量大、易于加工。陽極由多孔碳構(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。薩達特和阿徹表示，在一個1.4伏電池的生命周期中，電池所吸收的碳是制造電池時所釋放的碳的2.5倍。阿徹解釋說：“即使你把二氧化碳的主要來源都考慮進來，我們的電池的碳排放量也是負的。”

　　而碳吸收過程的化學(xué)副產(chǎn)品──草酸鋁也很有價值。草酸鹽可作為清潔劑和漂白劑，全球每年需求量大約為23萬噸。電化學(xué)電池每多產(chǎn)出一噸草酸鹽，會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去，用來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，要想把這個設(shè)計轉(zhuǎn)化為實用的技術(shù)，他和同事還有很長的路要走。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展。阿徹預(yù)計，如果他們能成功實現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)化，將來這種電池會配備在發(fā)電站和汽車排氣管上。“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)計新型化合物的方法可用來對抗耐藥菌。

　　很難想象一個沒有抗生素的世界是什么樣的，不過因為大規(guī)模地濫用抗生素，我們正走近這樣的世界。美國疾病控制與預(yù)防中心（Centers for Disease Control and PrevenTIon）表示，僅在美國，每年就有超過23000人因感染抗生素?zé)o法對付的病菌而死亡。英國政府資助的一項研究估計，到2050年，全世界每年會有1000萬人死于耐藥菌?？茖W(xué)家正苦苦尋找能殺死超級病菌的新藥，例如大環(huán)內(nèi)酯類抗生素（macrolide）。大環(huán)內(nèi)酯是抗生素的一大門類，可以治療一般的細菌感染，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，不過到目前為止沒有取得什么進展。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)細菌的大型發(fā)酵罐里制造出來的——這個過程很難精確控制。“化學(xué)家們在過去的幾十年里一直束手無策，”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，邁爾斯和他的團隊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個基本模塊，然后以新的形式把它們組合起來，利用不同的組合方式調(diào)節(jié)其化學(xué)性質(zhì)。邁爾斯團隊在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300種新型化合物。研究人員使用了14種致病細菌進行實驗，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)化合物可以抑制細菌，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。研究團隊已經(jīng)開始研究另外兩類抗生素：林可酰胺類抗生素（lincosamide）和氨基糖苷類抗生素（aminoglycoside）。在他們發(fā)明的化合物中，只有少部分會變成實用的抗生素，而且即使是這些抗生素也需要很長時間才能出現(xiàn)在藥店中。但是邁爾斯有信心，他的研究（和類似的研究）會幫助我們擊敗超級細菌。他說：“我非常樂觀，隨著我們繼續(xù)進行研究，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讓“不可攻破”的互聯(lián)網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　要建立絕對安全的加密方法，并不需要比鉛筆和紙更高級的技術(shù)：只要選擇一串隨機的字符和數(shù)字，用作加密信息的密鑰。把這個密鑰寫在一張紙上，用一次之后把紙燒掉就行。關(guān)鍵是要確保沒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斷過。量子密鑰分發(fā)（Quantum-key distribuTIon，QKD）可以解決這個問題，該方法會從糾纏光子中生成一個一次性密鑰。糾纏光子即量子狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的光子，如果其中一個光子受到擾動，另一個光子也會立即受到影響，無論它們之間的距離有多遠。量子密鑰分發(fā)的問題是，沒人知道如何長距離傳輸糾纏光子。然而今年8月，中國科學(xué)院成功將世界第一顆量子衛(wèi)星送入軌道，為解決這個問題邁進了一大步。

　　中國科學(xué)院的項目名為量子科學(xué)實驗衛(wèi)星（QUESS），是與奧地利科學(xué)院合作的項目。該項目利用衛(wèi)星向中國境內(nèi)相距1200千米的兩個觀測站傳輸量子密鑰，這一距離是目前最遠傳輸紀錄的8倍。原紀錄是由《科學(xué)美國人》顧問、奧地利物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的團隊于2012年創(chuàng)造的。天基平臺（space-based platform）是長距離傳輸?shù)奈ㄒ贿x擇，蔡林格說：“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項目首席科學(xué)家潘建偉合作。

　　如果中國研究人員創(chuàng)造了量子密鑰傳輸距離的新紀錄，那么未來的衛(wèi)星就能提供一個軌道平臺，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)包的絕對安全。蔡林格解釋說：“我們希望能建立洲際量子通信，這不再只是個科幻概念，而是未來的計算機彼此溝通的一般方式。”