2012最值得期待的科技新趨

唐云江

唐云江《科學世界》主編

在電影《2012》的渲染下，即將來臨的2012年多少帶了點神秘色彩。盡管大多數(shù)人并不相信真有瑪雅人預(yù)言的世界末日，但對于2012年，還是有一些科學技術(shù)值得人們期待的，“上帝粒子”、“人造細胞”、癌癥治療……它們激發(fā)了我們對未來的向往和關(guān)注。與其擔心2012年會不會發(fā)生毀滅性自然災(zāi)難，不如關(guān)注一下明年科學技術(shù)會有哪些亮點和重大發(fā)展吧。

“上帝粒子”和超光速運動

物理學中近期一個最大的懸念就是希格斯玻色子，它是粒子物理學標準模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子，至今尚未在實驗中觀察到。它也是標準模型中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的粒子，關(guān)乎著標準模型的“命運”，因而被稱為“上帝粒子”。歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）一個主要任務(wù)就是找到希格斯粒子的證據(jù)。LHC在2011年初進行了短期的維修后，2月下旬開始進行7TeV能量的對撞實驗，覆蓋了更廣泛的能量范圍。到目前為止，仍未公布數(shù)據(jù)結(jié)果。LHC官方已宣布2012年繼續(xù)實驗，人們期待2012年在大量分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的蹤跡。有可能2012年是“上帝粒子”之年，但如果2012年還沒有確定結(jié)果，2013年會進行14TeV能量的對撞試驗，屆時就會見分曉了。

物理學上另一個引人注目的事件是超光速運動，英國《自然》雜志2011年9月22日報道說，意大利格蘭薩索國家實驗室下屬的一個名為“OPERA”的實驗裝置接收了來自歐洲核子研究中心的中微子，兩地相距730公里，中微子跑過這段距離的時間比光速還快了60納秒(1納秒等于十億分之一秒)。當然，這一事件引起很多科學家的質(zhì)疑，因為這是關(guān)系到愛因斯坦相對論的根基問題。科學家們正著手進行詳細調(diào)查，2012年就會有確定的結(jié)論。

熱核聚變

在2011年初的實驗中，美國國家點火裝置（NIF）科學家獲得了類似太陽的極端高溫而且均勻、使標靶不會失形的壓力。他們用一種直徑2毫米的塑料小球代替了金質(zhì)黑體輻射空腔，將192束激光聚集在含氦元素的塑料球上，所產(chǎn)生的巨大熱量中近90%轉(zhuǎn)換為X射線，使溫度達到360萬攝氏度。在這一溫度和壓力下，2毫米直徑的塑料球各向均勻收縮為只有1/10毫米。新實驗已經(jīng)模擬出聚變反應(yīng)發(fā)生的實驗條件，2012年將正式使用含核聚變?nèi)剂想碗暗男∏颍瑢脮r將會驗證慣性核聚變的可行性，如果成功，會將慣性核聚變研究推進一大步。

空間探測

火星探測原本2012年會有一個小高潮，但由于俄羅斯的“福布斯—土壤”火星探測器變軌失敗，搭載的中國火星探測器“螢火一號”也隨之夭折。只有美國的“好奇”號火星車（2011年11月25日發(fā)射）2012年將到達火星。它是一輛核動力大型探測車，將擴大美國宇航局對火星的探索領(lǐng)域，并將有助于天文學家更好地了解這顆紅色行星是否存在水。該火星車收集的數(shù)據(jù)，或許還有助于科學家弄清火星上是否存在生命，以及火星過去和現(xiàn)在的可居性問題。該火星車還將對這顆紅色行星的氣候及地質(zhì)情況進行評估，為未來10年人類探索火星做準備。

合成生物學

美國文特爾研究所（JCVI）一直在進行合成基因組的工作。2010年，他們報告了從數(shù)字化的基因組信息開始，設(shè)計、合成和組裝了一個具有1.08兆個堿基對的蕈狀支原體基因組，將其移植進一個山羊支原體受體細胞，從而創(chuàng)造了一個僅由合成染色體控制的新的蕈狀支原體細胞。新細胞內(nèi)僅有的DNA具有預(yù)期設(shè)計合成的DNA序列的表型性質(zhì)，有連續(xù)自我復(fù)制的能力。文特爾等將新細胞命名為JCVI-syn1.0，這是第一個人造細胞，標志人類可以合成生命了。

生物合成通過化學合成DNA，用標準化和自動化的過程，創(chuàng)造增強了特征或性能的生物體，或者直接創(chuàng)造全新的生物體，以滿足人類各方面的需要。從10年前提出合成生物學概念以來，相關(guān)的論文數(shù)量激增，僅僅10年時間，人們不僅可以造出人造細胞，還利用合成途徑改造生物體，催化化學反應(yīng)，在能源制藥等領(lǐng)域開始應(yīng)用。近年來合成生物學發(fā)展迅猛，從模仿自然界簡單的DNA開始，改造和重新設(shè)計組裝我們需要的DNA。2012年及以后的幾年內(nèi)會有更多的成果，從單細胞向多細胞體延伸，有可能合成出高效的細菌等新的有用的生命體，在能源、制藥、材料等將有廣泛的應(yīng)用。

合成生物學在滿足人類需要的同時，也必然會存在一定的風險，創(chuàng)造出的新的生命體可能會危及人類的生存，風險控制是科學家面臨的重大課題。

細胞調(diào)控

干細胞命運調(diào)控及誘導多能干細胞仍是近年來研究的熱點。動物個體發(fā)育是受精卵沿著一套編排好的程序經(jīng)過一系列增值和分化形成的，這一過程在自然條件下是一個不可逆的過程，由此產(chǎn)生構(gòu)成個體的所有成體細胞。干細胞理論上可以分化為各種細胞，通過人為調(diào)控可以獲得人們需要的細胞分化；體細胞也可以通過人為重新編程轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導多能干細胞，可以用于修復(fù)人體組織和器官，并可依此開發(fā)新的治療性藥物。2012 年及以后幾年內(nèi)預(yù)計會有突破性應(yīng)用成果。

癌癥治療

癌癥治療是醫(yī)學上一大難題，之前的手術(shù)治療、放射療法和藥物治療都有較大缺陷，目前研究熱點是目標明確的定點治療方法，近幾年突起的免疫療法有望取得較滿意的效果。后者是癌癥疫苗，前者是在體外“訓練”免疫細胞，如樹突狀細胞，然后放回體內(nèi)定向攻擊癌細胞，有望短時間內(nèi)成為常規(guī)高效的癌癥治療手段。

太陽能電池

能源問題一直是人們關(guān)注的焦點，關(guān)系到人類可持續(xù)發(fā)展問題。過去，許多制造太陽能電池的方法非常耗時，材料和工藝成本過高，還會對環(huán)境造成污染。美國俄勒岡州立大學的科學家2011年使用噴墨打印技術(shù)成功地制造出了銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池，新方法使原材料浪費減少了90%，并通過使用一些富有潛力的化合物顯著降低了太陽能電池的制造成本。借助該項技術(shù)，科學家最終能制造出性能極佳、能被快速制造、成本超低的薄膜太陽能電子設(shè)備。今后幾年內(nèi)印刷太陽能技術(shù)會有較大發(fā)展，太陽能利用會普及到生活的各個方面。

氫燃料

氫燃料是理想的動力源，但氫的儲存和運輸一直是個難題。2011年，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家設(shè)計出了一種新的儲氫納米復(fù)合材料，它由金屬鎂和聚合物組成，其由金屬鎂納米離子散落在一個聚甲基丙烯酸甲酯（同樹脂玻璃有關(guān)的聚合物）基質(zhì)組成。新材料在常溫下就能快速地吸收和釋放氫氣，在吸收和釋放氫氣的循環(huán)中，金屬鎂也不會氧化。這是氫氣儲存和氫燃料電池等領(lǐng)域取得的又一個重大突破。

光解水制氫

與氫儲存技術(shù)突破的同時，氫來源技術(shù)也在加緊研究，利用太陽能的光催化分解水的技術(shù)進展較快，從TiO2為基礎(chǔ)的系列光催化劑到半導體光催化劑，以及可見光催化劑都有較大發(fā)展，目前大部分光催化劑主要對紫外線敏感，但到達地球的太陽能大部分集中在可見光，可見光波段的光催化劑更顯重要。哈工大理學院化學系陳剛課題組在開展硫化物光催化劑研究中，制備出由金屬硫化物固溶體納米棒自組裝而成的分級納米結(jié)構(gòu)光催化劑，并研究了該材料微納結(jié)構(gòu)的形成機制。實驗結(jié)果表明，在可見光下，該催化劑無需借助鉑等貴金屬，即可大幅度提高光能制氫的轉(zhuǎn)化效率，表現(xiàn)出優(yōu)異的光解水制氫活性。高效光催化劑有望近幾年內(nèi)取得突破，突破之后，能源問題則無憂。

云計算和物聯(lián)網(wǎng)

云計算和物聯(lián)網(wǎng)是近幾年的熱點。2011年第十三屆中國國際高新技術(shù)成果交易會的主題就是云計算和物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是利用互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等把能夠被獨立尋址的設(shè)備或物體連接起來。物聯(lián)網(wǎng)不僅僅把傳感器連接起來，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實施智能控制。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計算、模式識別等各種智能技術(shù)，從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)用戶不同的需求。云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅應(yīng)用于我們熟知的交通、物流、金融領(lǐng)域，在工業(yè)控制、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生、公共安全、國防軍事等領(lǐng)域也已開始應(yīng)用。不用多久，智能的物聯(lián)網(wǎng)就會觸到我們生活的各個角落。

全能手機

手機不僅僅是一個通訊設(shè)備，其智能化程度也越來越高，已經(jīng)逐漸演變成一臺隨身攜帶的終端設(shè)備。配備易攜帶的薄膜顯示器可以成為電腦或電視，配備便攜的虛擬鍵盤可以提高使用的舒適度。不遠的將來可以實現(xiàn)“一機行天下”了。