可穿上身发电的新材料等七则

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  十字花科蔬菜可杀灭白血病癌变细胞
  美国贝勒医学院研究人员日前报告说,西兰花等十字花科蔬菜中含有丰富的天然化合物萝卜硫素,它能在实验室环境中杀灭白血病癌变细胞。
  白血病俗称“血癌”,很多患者对现有疗法没有反应,科学界一直在寻找新疗法。贝勒医学院免疫学助理教授丹尼尔·拉克拉扎等人将重点放在萝卜硫素上,它具有抗氧化、抗紫外线功能,是迄今在蔬菜中发现的抗癌活性最强的物质之一。曾有研究表明,如果饮食中富含十字花科蔬菜,患某些癌症的风险将相应降低。
  拉克拉扎等人在富含萝卜硫素的环境中培育来自白血病患者的癌细胞和健康儿童的健康细胞,一段时间后,癌细胞陆续死亡,健康细胞安然无恙。在小鼠模型中,效果类似。
  研究人员认为,萝卜硫素能够进入白血病癌细胞内部并与某些蛋白质发生反应,进而杀灭癌细胞,这种化合物将来有望成为治疗白血病的联合用药方案之一。
  不过研究人员也提醒说,实验中所用的是浓缩、提纯的萝卜硫素,与西兰花等十字花科蔬菜中天然存在的萝卜硫素在含量等方面有所不同,因此多吃十字花科蔬菜尽管有益健康,却不一定能达到与实验同样的效果。(图2)
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  白菜类、甘蓝类、芥菜类等蔬菜是我们餐桌上常见的十字花科植物。它们不只是膳食平衡的调节品,还是食疗大军中的“主流”。比如圆白菜富含叶酸,维生素C含量高,不仅可以抑菌消炎、促进消化,还可以美容养颜,德国人称之为“菜中之王”。当然,十字花科蔬菜的抗癌功效也不可小觑。此前研究发现,覆盆子可以预防食道癌,西兰花可以预防膀胱癌等。
  材料科学
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  在只有头发丝十万分之一的纤维上实现既发电又储能,还能把它织成衣服穿上身?
  近日,原创性研究领域权威期刊《应用化学》的封面文章刊登了复旦大学高分子科学系彭慧胜教授课题组的最新研究成果。
  “纳米最直观的概念就是头发丝的十万分之一,如果用一纳米直径的小球堆积起一毫米直径的小球,它的表面积可以提高10的5次方”。这是一种“由小变大”的方法,道理跟石油化工中的催化作用相同,催化剂的表面积越大,效果就越好。彭慧胜将这一设计运用到了碳纳米管的光电转化中。
  负责《应用化学》审稿的专家们认为,彭慧胜课题组用一个“非常简单和低成本的方法”,在世界范围内“首次在一根纤维上同时实现光电转换和储能”,大大提高了太阳能的利用效率,“对全纤维状能源系统的开发,迈出了关键一步”。
  基于纳米曲度的设计,就像用许多小球堆积成一个大球,“表面积由小变大,有利于电荷的快速传播,从而大大增强了材料的导电性能”,而且,由于碳纳米管纤维具有良好的柔性,它将打破传统太阳能电池一成不变的“平面结构”。
  此外,柔软的纤维电池还具有可编织性。 “最近我们做的一项研究就是把太阳能电池织成衣服。希望在以后,普通的衣服不仅能防弹,还可以既发电又储能”。
  彭慧胜表示,碳纳米管在能源方面的开发是走在前面的,但放大生产、大规模制备目前仍然有一定难度。“因为刚刚起步,通过研究,应该可以一一解决这些问题”。他说他也不知道多少年后才能方便地用上由这些材料制成的电子设备,但新材料是改变整个社会非常重要的原动力,而碳纳米管是一个非常有趣的材料,“它只是一个开始,开辟了一个新的发展方向,而且这条路是可以走通的”。
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  太阳能电池可以将光转化为电,而碳纳米管纤维也可以实现这一转化。不仅如此,它还大大提高了光电转化的效率,打破了太阳能电池的“平面结构”。碳纳米管纤维的最大特点是轻而强韧,美国曾尝试用它做太空电梯。显然,它不甘于做能量转换的替代品,还以其柔韧的编织性成为制作衣服的新材料,既可发电又可储能。一旦这一设想变成现实,服装界将掀起一场翻天覆地的革命。
  航天科学
  智能手机变卫星:重量仅3磅
  在前不久,美国宇航局打造了PhoneSat卫星计划,可利用智能手机技术嵌入卫星“制造”过程,这个开创性的微型卫星被定为在低成本、快速便捷的理念上,可支持技术应用、教育和全民太空探索计划。毫不夸张的认为,PhoneSat系列低成本微型卫星是未来航天器的一种新型设计思路,整星重量仅为3磅左右,体积相当于一个饮水杯的大小,使用智能手机的技术实现低成本卫星的功能,美国宇航的科学家希望快速建造微型卫星的想法可以短时间内打造卫星群,比大型轨道卫星更节省时间和资金。 目前,PhoneSat卫星计划利用多种商业技术嵌入了高速计算芯片,超大的内存、高分辨率的传感器、全球定位导航模块等,这些民用设备可以满足低端航天器的需要,而且我们可以通过智能手机到达到这一目的,以建造出非常低成本的卫星。位于美国宇航局艾姆斯研究中心的科学家们正在构思和制定小型航天器的技术管理程序,小型航天器研制项目主任布鲁斯·约斯认为我们探索非传统的硬件和系统,在航空航天工业之外寻找建造卫星的方式。
  PhoneSat卫星计划设计了三个原型卫星项目,分布命名为名称分别为“亚历山大”、 “贝尔” 和“格雷厄姆”, PhoneSat 1.0卫星利用了谷歌公司开发的安卓操作系统,而PhoneSat 2.0测试版配备了先进太阳能电池。这些原材料来源于加工太阳能电池板剩余的部件,研究人员认为通过民用智能手机技术和大型设备的剩余原材料可以打造出价格低廉的微型卫星。(图1)
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  微型卫星较之于传统的大型卫星,不仅重量小、成本低,而且快速便捷。再加上智能手机技术的嵌入,这个五脏六腑俱全的“小麻雀”绝不逊色于重达数吨的庞然大物。为了满足低端航天器的需要,并大幅度地节约成本,科学家把智能手机的技术嫁接到微型卫星上,这一概念设计将迅速推进民用航天卫星的发展。
  能源科学
  转基因蓝藻:化学燃料的新来源   美国加州大学戴维斯分校的化学家通过基因工程对蓝藻进行改造,使其能生产出丁二醇,这是一种用于制造燃料和塑料的前化学品,也是生产生物化工原料以替代化石燃料的第一步。
  加州大学戴维斯分校化学副教授渥美翔太说:“大部分化学原材料都是来自石油和天然气,我们需要其他资源。”美国能源部已经定下目标,到2025年要有1/4的工业化学品由生物过程产生。
  生物反应都会形成碳-碳键,以二氧化碳为原料,利用阳光供给能量来反应,这就是光合作用。蓝藻以这种方式在地球上已经生存了30多亿年。用蓝藻来生产化学品有很多好处,比如不与人类争夺粮食,克服了用玉米生产乙醇的缺点。但要用蓝藻作为化学原料也面临一个难题,就是产量太低不易转化。
  研究小组利用网上数据库发现了几种酶,恰好能执行他们正在寻找的化学反应。他们将能合成这些酶的DNA引入了蓝藻细胞,随后逐步地构建出了一条“三步骤”的反应路径,能使蓝藻将二氧化碳转化为2,3丁二醇,这是一种用于制造涂料、溶剂、塑料和燃料的化学品。
  渥美翔太说,由于这些酶在不同生物体内可能有不同的工作方式。在实验测试之前,无法预测化学路径的运行情况。经过3个星期的生长后,每升这种蓝藻的培养介质能产出2.4克2,3丁二醇——这是迄今将蓝藻用于化学生产所达到的最高产量,对商业开发而言也很有潜力。
  渥美翔太的实验室正在与日本化学制造商旭化成公司合作,希望能继续优化系统,进一步提高产量,并对其他产品进行实验,同时探索该技术的放大途径。
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  蓝藻是地球上最大的植物群落,增殖速度非常快。不过,人们很难直接利用这种原始生命体。为了替代化石能源,近年来不少科学家用藻类代谢出有机液体,或者氢气,但单位产量太低。此次美国化学家调节蓝藻的基因,成功地通过光合作用制造出醇类物质,是一个重要突破。如果产自藻类的廉价燃料有一天能注入发动机,那将是基因技术的最大成就。
  空间科学
  “电动太阳风帆”缆绳问世
  芬兰昆普拉空间中心研究人员派卡·扬胡宁博士在2006年首次提出一种新型宇航动力系统,其被称为“电动太阳风帆”,原理为利用太阳风产生电力,从而推动航天器前进。如今,芬兰赫尔辛基大学电子研究实验室利用超声波焊接技术,成功造出了一条长1公里的“电动太阳风帆”缆绳。
  一整张电帆由50根到100根细长的导电金属丝构成,每根约25微米至50微米粗细,长20公里。此外,航天器上还要有一个太阳能电子枪(功率约几百瓦),以保持自身和电缆带高压正电(通常为20千伏),其电场会伸入周围太阳风等离子内约100米,太阳风中的带电粒子一进入电场就会受到巨大撞击,由此产生的相互作用将太阳风的动量传递给航天器。相互作用产生的推力是巨大的,而且几乎不损耗推力,基本能无限地运动下去。
  而要把这么细的金属线焊在一起是不可能的。此项研究负责人、赫尔辛基大学物理系的爱德华·海格斯托姆说,他们在世界上率先用超声波焊接技术将铝丝连在一起,造出了这种电缆。
  电缆生产是全自动化的,由计算机控制。目前的生产速度是每小时大约3米,通过光学实时检测,检查每个连接点以保证质量。将来生产速度还会提高,并在生产过程中确保质量。由于地心引力作用,电缆在太空中会被拉直,由此整张电帆产生的拉力只有5克,而赫尔辛基大学制造的电缆,线—线焊接点能承受10克的拉力。
  这些电缆将很快在太空中见到效果。首先使用它的是爱沙尼亚的小型卫星ESTCube-1,这颗卫星将于3月发射,使用缆长15米的电帆,研究人员将对其推动力进行检测。这是一个突破性进展,迄今还没人对理论预测的电帆推动力进行实验检测。(图3)
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  从理想到现实,从2006年到2013年,芬兰人成功了。不需要燃料和推进器,清洁高效,物美价廉……电帆的确非常给力;不仅如此,这件“神器”还将远远提高我们所能想象的人造设备的速度极限。电帆的出现将为人类的太空之旅带来一场“革命”。今明两年的后续检测,吸引着我们的眼球。如果一切顺利,人们利用太阳风来推进卫星航天器的梦想即将成真。
  环境科学
  氧化石墨烯:水中放射性物质的清洁工
  美国莱斯大学和俄罗斯莫斯科国立罗蒙诺索夫大学的研究人员发现,氧化石墨烯具有非凡的吸附能力,能够快速除去污染水体中的放射性物质。
  原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速地吸附在天然和人造的放射性核素上,并凝结成固体。这种薄片能够溶于液体之中,也能轻易地大批量生产。氧化石墨烯会在导入模拟核废物的数分钟内凝固,迅速聚集最致命的毒素废物,这一过程也将跨越多个pH值。
  在此项研究中,研究人员主要致力于去除锕系元素和镧系元素等放射性同位素。也就是从液体中而非固体或气体中除去元素周期表中的30个稀土元素。虽然这些同位素并不亲水,但却可以隐匿于水中。当地下水也从钻井中流出,且放射性元素超过一定水平时,就会因高温而不能再输送回土壤中。此时就需要将受污染的水体运送至其他地方进行储存和处理,随之而来的则是大笔的开销。而使用氧化石墨烯能快速过滤放射性污染物,显著降低水力压裂法等油气回收方式的成本,对清理福岛核电站等区域的污染水源大有裨益。此外,采矿业也将收获潜在的利益。
  虽然氧化石墨烯的较大表面积决定了其吸附毒素的能力很强,但吸收速度之快仍出乎科研人员所料。这一速度具体由污染物的构成所决定。对此,科学家以包含铀和钚的模拟核废物以及钠和钙等可负面影响氧化石墨烯吸收效应的物质进行了测试。即使如此,氧化石墨烯也被证明效用要明显优于膨润土和活性炭等常用的核清理剂。
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  自从2004年科学家们发现石墨烯以来,一股研究石墨烯的浪潮席卷全球。石墨烯是只有一个碳原子厚度的二维材料,它不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬,而且导电性能极好,大多数科学家都认为石墨烯能被用来制造更纤薄、速度更快的电子设备,有望彻底改变计算、电子和医药等领域的现状。当然,石墨烯的吸附功能也颇得科学家赞赏。
  材料科学
  随意弯曲的“纸屏”
  在平板电脑正大行其道的时候,一种薄如纸张,可以随意弯曲而且不会摔烂的新型屏幕即将出现在大众面前。该屏幕由加拿大女王大学和Plastic Logic公司以及英特尔实验室合作研制,预计将给现在人们使用电脑的方式带来革命性的改变。未来的办公桌上,摆放的或许将是各种“纸张”,而不是电脑显示器。
  与传统的视窗界面不同,它可以用几个甚至十几个“纸屏幕”进行互动,每个屏幕上的应用各不相同。它们还可以作为电纸书,通过弯曲屏幕就能翻页。女王大学人类媒体实验室主任Roel Vertegaal说:“通过几个互动页面,我们就可以轻松地处理众多的文件。”
  例如,用户可以把显示邮件草稿的屏幕与显示图片的屏幕连接起来,使图片作为邮件的附件发送出去。这种连接可以是以折叠的方式,也可以是简单地卷起屏幕一角。与之类似,几个纸屏幕可以放置在一起,就可以做成一个更大的屏幕。
  英特尔公司宣称这项技术将最终取代传统的电脑屏幕,该公司的科学家瑞恩·布洛特曼说:“5到10年内,大部分的电脑,无论是超级本还是平板电脑,看起来、摸起来都将像彩色打印的纸张一样。”
  “纸电脑”能存储和展示成千上万的文档,未来的办公室中将不再需要显示器、打印机和成堆的打印纸。而且与传统平板电脑不同,纸屏幕之间可以互相定位,进行无缝连接。例如,当纸屏幕放起来的时候,它上面的文档就会变成一个缩略图,类似电脑桌面的图标;当你把屏幕拿起来的时候,或者点一下切换按钮,它就能恢复成全屏显示。(图4)
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  自1897年德国人布朗发明阴极射线管以来,显示器便进入人类的生活。1968年世界上诞生了第一块液晶屏;1988年,夏普研制成功了14英寸TFT彩色液晶显示器;20世纪50年代,第一枚现代意义的LED产生了。此后,IPS、OLED等显示器纷然跃出。不过,科技的发展总能带来惊喜,“薄如纸张”的屏幕因允许人与电子纸之间进行自然互动,将会大行其道。
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