2019年,科学突破层出不穷

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科技日报记者傅丽莉

科技改变生活。今年,来自世界各地的科学家让科学的步伐再次前进。棉籽在月球上发出第一批芽,气态二氧化碳在室温下首次转化为碳电池,计算出最轻的中微子质量,可以呼吸的人体器官以3D打印出来.尽管具体的原则有些神秘和晦涩,我们不得不说。它们刷新了我们的认知,这些发现实际上正在或将会影响我们的生活。

年底,我们回顾并梳理了过去一年的科技事件,以纪念非凡的2019年。

棉花种子在月亮上发芽

棉花种子成为人类在月亮上种植的第一种植物幼苗。1月15日,重庆大学就嫦娥四号生物科学实验的有效载荷举行新闻发布会,正式宣布这一消息。"这是人类第一次在月球上进行生物实验."重庆大学副校长兼科普负荷项目总指挥刘汉龙介绍说。

重庆大学牵头的嫦娥4号生物科普试验载荷装载有棉花、油菜、马铃薯、拟南芥、酵母和果蝇等六种生物,均置于密封的生物科普试验载荷罐中。生物科普试验箱(Biological popular science test load tank)是一种高度密封的圆柱形耐压容器,由高性能铝合金制成,经过防腐处理。“罐”的直径为173毫米,高度为198.3毫米,由结构模块、热控制模块、控制模块等组成。除了携带6种生物,负载还包含18毫升水、土壤、空气、热控和两个记录生物生长状态的摄像机。

登陆月球后第一天1年3月3日23时18分,装载舱通电,开始进入生物月球表面的生长发育模式。1月12日20: 00,嫦娥4号登陆的月球背面的生物科学试验箱返回了最后一张试验箱照片,显示在试验箱中生长的棉子芽长势良好。

室温下二氧化碳气体转换电池

2月,英国杂志《自然通讯》发表了一项新的化学突破。科学家们首次在室温下将气态二氧化碳转化为固态碳材料,并将其用于能量储存。这种方法将有助于从大气中去除二氧化碳,并成为一种可行的“负碳排放”技术。

众所周知,“负碳排放”技术对于保持未来气候的稳定至关重要。尽管目前许多研究集中于将二氧化碳减少为高附加值产品,如化学原料和燃料,但这些方法无法实现永久性碳捕获。

这次研究人员开发了一种液态金属电催化剂。液态金属催化剂基于无毒镓合金,可防止结焦,即固碳吸附在催化剂表面,降低催化剂活性。研究小组随后将收集到的固体产品制成超级电容器,有望在未来成为轻质电池材料。

研究人员指出,以前制备碳纳米材料的方法通常需要几百摄氏度的温度,他们开发的技术可以帮助降低二氧化碳转化的高能耗要求。科学家认为,这项研究对于从大气中去除二氧化碳具有重要的应用价值。

发现第三个五夸克粒子

4月,欧洲核中心大型强子对撞机(LHC)的LHCB团队发现了第三个五夸克粒子。新的结果有望进一步揭示夸克理论的许多奥秘。

以前,五夸克物质的存在只是在理论阶段。2015年,LHCb宣布发现第一个五夸克粒子。现在,当团队检查粒子时,他们发现它已经分裂成两部分。原来,前五个夸克实际上是两个独立的五个夸克(称为第一个和第二个五个夸克粒子),质量相似,就像一个粒子。

夸克理论是粒子物理标准模型的关键组成部分。该理论认为有六种夸克,上夸克、下夸克、迷倒夸克、奇异夸克、底夸克和顶夸克,它们都有自己的反物质。

夸克和反夸克结合形成强子。强子分为两类:重子(包括质子和中子),由三个夸克和介子(包括夸克a)组成

超导材料可以无损耗地传输电能,但其应用受到超导态严格低温要求的限制。因此,实现室温超导已经成为科学家们的一个重要目标,现在他们离这个目标越来越近了。在杂志《自然》中,一个由美国和德国科学家组成的研究小组发表了一篇论文,称他们的实验证实了氢化镧在高压下具有250K的超导性(K代表绝对温度标准开尔文,250K约为-23℃)。

据悉,研究人员使用一种叫做钻石压力室的装置,用两颗钻石挤压一小块镧样品,在170吉帕斯卡的高压下将其转化为氢化镧化合物3354LaH10,然后通过x光检测其结构和组成。研究人员观察到LaH10具有超导材料的三个特征:零电阻、外部磁场作用下的较低临界温度和同位素效应(临界温度取决于同位素质量的现象)。然而,由于样品尺寸小,不可能观察到超导材料的另一个重要特征:迈斯纳效应(超导体排斥磁场的现象)。他们说,他们观察到的三个特征已经证明,氢化镧在25万摄氏度时会变成超导的,温度是地球大气压力的100多万倍。

250K是人类高温超导性的最新记录,比以前的最高临界温度高约50K。

3D打印“呼吸”的人造器官

5月,《科学》杂志封面报道了由莱斯大学和华盛顿大学的研究团队领导的一项里程碑式的研究成果。该团队克服了3D打印器官的主要障碍,创建了水凝胶3D打印肺气球模型。该模型具有与人体血管和气管相同的网络结构,可以将氧气输送到周围的血管,如肺,以完成“呼吸”过程。然而,只有当印刷的组织能够像健康组织一样“呼吸”,并且能够与其他组织相互作用的管道系统被构建时,它们才能在功能上更接近健康组织。

研究人员说,在制造功能性组织替代品时,面临的主要障碍之一是无法打印向组织输送营养的血管。为了解决这个问题,该团队使用了全新的3D打印技术。首先,在计算机设计过程中,复杂的三维结构被分解成多层二维印刷的蓝图。其次,按照蓝图用液体水凝胶溶液印刷,通过特殊蓝光逐层固化。层层堆叠后,形成三维凝胶结构。在测试中,研究人员高兴地发现,当红细胞流过系统打印的“血管”时,他们可以有效地从呼吸的“肺”中获取氧气,这与肺泡附近的氧气交换是一样的。

拍摄量子纠缠的第一张“照片”。

7月,英国物理学家拍摄了第一张量子纠缠的照片,这有望促进量子计算和其他领域的发展。

在量子力学领域,两个相互作用的粒子,例如,穿过分束器的两个光子,无论相距多远,仍然可以以非常奇怪的方式“纠缠”在一起,并立即共享它们的物理状态。这种联系被称为量子纠缠,是量子力学领域的基本现象之一。爱因斯坦曾称之为“幽灵般的远摄效果”。

今天,虽然量子纠缠在量子计算和密码学等实际应用中发挥着重要作用,但这种现象从未被拍摄下来。在最新的研究中,英国格拉斯哥大学的物理学家设计了一个系统,该系统向液晶材料上显示的“非传统物质”发射一束来自量子光源的纠缠光子,这些物质在光子通过时会改变光子的相位。

他们放置了一台能够探测单个光子的超灵敏照相机。当看到光子和与之纠缠在一起的“孪生”同时出现时,相机拍摄了一张图像,首次为光子纠缠留下了珍贵的图像。获得的图像显示两个光子似乎相互反射并形成环形。

这篇论文的第一作者,格拉斯哥大学物理和天文学学院的保罗安东尼莫罗博士说:“这是一个非常好的例子

7月,英特尔展示了其最新的Pohoiki海滩芯片系统。它包含多达64个Loihi芯片,集成了1320亿个晶体管,拥有800多万个“神经元”和80亿个“突触”芯片系统执行人工智能任务的速度比传统的中央处理器快1000倍,能效提高倍。它可以在图像识别、自动驾驶和自动机器人方面带来巨大的技术进步。这种神经模拟系统的出现表明人类朝着“模拟大脑”的目标迈出了一大步。

与人脑中的神经元相似,洛伊希有一个数字“轴突”用来向邻近的“神经元”发送电信号,有一个“树突”用来接收信号,还有一个“突触”用来连接两者。英特尔表示,基于该芯片的系统已经用于模拟皮肤触感和控制假肢。

最轻的中微子质量是有限的

中微子无处不在,但它们被称为“幽灵粒子”,因为它们很难与普通物质反应,也很难被探测到。尽管进行了50多年的研究,科学家们对它们甚至它们的质量仍然知之甚少。

8月,英国科学家将中微子家族中最轻的成员的质量限制在不超过0.086电子伏,约为单个电子质量的1/60万。

中微子的行为将改变整个星系和其他大型天体的行为。基于此,研究人员从重子振荡光谱调查中获得了约110万个星系的运动数据,结合其他宇宙学信息和地球上中微子实验的结果,将所有这些信息输入超级计算机,计算出最轻的中微子质量(有3种中微子质量)。

虽然物理学家可能永远无法准确确定这三个中微子的质量,但他们可以继续接近。随着地球和空间测量实验的改进,中微子的质量范围将继续缩小,从而更好地解释整个宇宙是如何结合的。

制作世界上最黑的材料

9月,中国和美国科学家报告说,他们开发了一种比以前最黑的材料暗10倍的材料。

这种新材料由碳纳米管阵列制成,可以捕获99.995%的入射光,是迄今为止最黑的材料。

这种新材料不仅具有艺术表现力,还可能具有实用价值,例如减少遮光板中不必要的眩光,帮助太空望远镜发现系统外的恒星。

研究合作者、上海交通大学材料科学与工程学院副教授崔克行(Cui Kehang)表示,他们起初并不打算设计超黑材料,而是试图在铝等导电材料上生长碳纳米管,但在铝上生长碳纳米管遇到了困难。

铝暴露在空气中会被氧化,氧化物会覆盖铝,就像绝缘体一样,导致铝无法改善其导电性和加热性能。因此,他们开始寻找去除氧化铝层的方法,并发现盐(氯化钠)可以解决这个问题。

他们首先将铝箔浸泡在盐水中以去除氧化层;然后将铝箔转移到无氧环境中,防止再氧化;最后,将蚀刻后的铝放入反应器中,通过化学气相沉积法生长碳纳米管。

”最令人惊讶的是,获得的新材料是极其黑色的。该材料从各个角度吸收的入射光大于99.995%”崔克行说道。

“万物的脱氧核糖核酸”使得全球各地存储的数据量不断增加。硬盘和磁带等传统存储体系结构越来越难以满足数据存储的需求。随着这些装置逐渐达到储存极限,脱氧核糖核酸被提出作为一种长期储存方案。

以前的研究强调了脱氧核糖核酸的持久性和储存大量信息的能力。现在,研究人员发现了一种前所未有的方法来利用它的持久性进行存储。

10月,着名的哥伦比亚大学专家、以色列计算遗传学家亚尼夫厄尔利希(Yanif Erlich)和苏黎世联邦理工学院的科学家用特殊材料“万物的脱氧核糖核酸”打印了一只3D“兔子”。

他们首先将通用计算机图形测试模型“斯坦福兔”的蓝图编码成与脱氧核糖核酸(Stanford Rabbit)兼容的格式,然后将其储存在脱氧核糖核酸分子中,然后将脱氧核糖核酸分子封装在二氧化硅珠粒中,将珠粒嵌入可生物降解的热塑性聚酯中,最后用所得的热塑性聚酯3D打印出“兔”。

之后,研究小组使用储存在“兔子”中的脱氧核糖核酸进行复制:从3D打印的兔子身上切下一小块,解码其中包含的脱氧核糖核酸分子。这样,五代“兔子”被创造出来,没有任何信息损失,从上一代扩增的脱氧核糖核酸被封装到下一代。尽管第四代和第五代之间有9个月的时间间隔,但脱氧核糖核酸蓝图仍保持稳定33,354份。

在第二个实验中,研究人员将华沙犹太人区档案的视频编码成有机玻璃,然后用有机玻璃制作普通玻璃。只需要一小块有机玻璃来恢复隐藏的信息。

研究小组因此提出了“万物的脱氧核糖核酸”的概念,将信息隐藏在其中,并使存储无处不在。

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