探秘2014年諾貝爾物理、化學(xué)獎(jiǎng)

2014年的諾貝爾獎(jiǎng)已經(jīng)揭曉，物理獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)各被三名科學(xué)家摘取。這幾位科學(xué)家為世界的進(jìn)步和發(fā)展作出了怎樣的貢獻(xiàn)？他們的發(fā)明又給人類生活帶來了怎樣的便利？讓大臉兔為大家一一解讀。

化學(xué)獎(jiǎng)：超高分辨率熒光顯微鏡

2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)叻謩e是美國科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫奈和德國科學(xué)家斯特凡·黑爾，他們獲獎(jiǎng)的理由是，超越光學(xué)顯微鏡的局限，發(fā)展了超高分辨率熒光顯微鏡，這使得光學(xué)顯微鏡技術(shù)進(jìn)入納米尺度。

很長一段時(shí)間里，科學(xué)家認(rèn)為光學(xué)顯微鏡有一個(gè)極限：無法獲得比半光波長（即0.2微米左右）更好的分辨率，這導(dǎo)致科學(xué)家們無法看到更小的物體，如常規(guī)尺寸的病毒，或單個(gè)的蛋白質(zhì)。但是，今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位獲得者在熒光分子的幫助下，巧妙地繞開了這種極限。

同樣是發(fā)展熒光顯微鏡，但這幾名科學(xué)家用的方法卻不盡相同。其中斯特凡·黑爾開發(fā)的是受激發(fā)射減損顯微鏡技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)同時(shí)使用兩束激光，一束負(fù)責(zé)激發(fā)熒光分子使其發(fā)光，另一束則負(fù)責(zé)抵消大部分熒光，只留下一塊納米大小的熒光區(qū)域。這樣，通過一個(gè)納米一個(gè)納米地掃描樣品，可以獲得更高分辨率的圖像。

埃里克·貝齊格和威廉·莫奈共同開發(fā)的是單分子顯微技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行多次“繪圖”，每次僅僅讓很少量的分散分子發(fā)光，將這些圖像疊加起來，就能產(chǎn)生密集的納米尺寸超分辨率圖像。

通過超高分辨率的熒光顯微鏡，科學(xué)家們就可以在細(xì)胞中觀察到單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)；可以看到分子如何在腦的兩個(gè)神經(jīng)細(xì)胞之間產(chǎn)生突觸；可以追蹤帕金森病、阿爾茲海默癥和亨廷頓癥患者體內(nèi)相關(guān)蛋白質(zhì)的累積情況；還能跟蹤受精卵在分裂形成胚胎時(shí)，蛋白質(zhì)的變化過程……總之，人們能更好地了解微觀世界，攻克更多的科技難題。

物理學(xué)獎(jiǎng)：藍(lán)色發(fā)光二極管

2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者為日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩和日裔美籍科學(xué)家中村修二。他們獲獎(jiǎng)的理由是：發(fā)現(xiàn)新型高效、環(huán)境友好型光源，即藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）。通過應(yīng)用藍(lán)光LED技術(shù)，人類可以使用一種全新的手段產(chǎn)生白色光源。如果說愛迪生的白熾燈泡點(diǎn)亮了20世紀(jì)，那么21世紀(jì)將閃耀在LED之下。

紅色和綠色LED在上世紀(jì)中葉已經(jīng)問世，但要把LED用于照明，必須發(fā)明藍(lán)色LED，因?yàn)橛辛思t、綠、藍(lán)三種單色光后，才能產(chǎn)生白色光。但藍(lán)色LED的制備技術(shù)困擾了人類30多年。一直到1986年，赤崎勇和矢野浩兩人首次制成高質(zhì)量的氮化鎵晶體，才使得藍(lán)色LED的研究取得突破。三年后，兩人又首次研發(fā)成功藍(lán)光LED。而中村修二的研究則是讓LED照明實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化，引發(fā)了照明技術(shù)的革新。

那么這項(xiàng)技術(shù)的意義何在呢？在LED燈中，電能被直接轉(zhuǎn)換為光，這就大大提升了發(fā)光的效能。圖2是在消耗同樣能量的情況下，油燈、白熾燈、熒光燈和LED燈的發(fā)光強(qiáng)度對(duì)比。數(shù)據(jù)顯示，LED燈的發(fā)光效率是煤油燈的3000倍，是熒光燈的4倍多。目前，全世界大約四分之一的耗電量來自于照明，LED這一高效照明工具的出現(xiàn)，能夠極大地節(jié)省電能。同時(shí)，由于LED燈可以持續(xù)使用長達(dá)10萬個(gè)小時(shí)，與白熾燈泡的1000個(gè)小時(shí)以及熒光燈的1萬個(gè)小時(shí)相比，LED燈又能節(jié)省材料的消耗。

由于極大地節(jié)約了資源，LED技術(shù)使得更高效、更便宜的照明設(shè)備陸續(xù)被開發(fā)出來，這給世界上超過15億的人口帶來了直接的福利——生活在發(fā)達(dá)地區(qū)的我們可能不知道，地球上還有很多人因?yàn)樨毨Ш腿狈﹄娋W(wǎng)設(shè)備，無法享受電力照明。但LED燈的出現(xiàn)，讓他們未來有望使用小型太陽能電站產(chǎn)生電力進(jìn)行照明。

此外，LED是可以非常靈活運(yùn)用的光源技術(shù)，人們可以根據(jù)不同的需求，合成各式各樣的色彩和亮度。如讓面積達(dá)數(shù)百平米的屏幕閃爍，變換色彩與圖形，而且這一切都可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。對(duì)光線色彩的控制還意味著LED燈可以模仿自然光源，讓我們的生物鐘能夠更好地適應(yīng)。而在人工溫室內(nèi)使用人工照明的方法也已經(jīng)成功進(jìn)行了實(shí)踐。被污染的水體可以使用紫外光LED燈進(jìn)行消毒，它同樣是藍(lán)光LED技術(shù)的衍生品。

正是由于十多年來藍(lán)光LED和LED照明技術(shù)為人類社會(huì)作出如此巨大的貢獻(xiàn)，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)才會(huì)將2014年的物理諾貝爾獎(jiǎng)，頒給多年前開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的三名科學(xué)家。