13-49.doc
2014-11-06

参阅 资 料

49期(总第759期)

校发展规划处编 (开阔思路追求一流) 20131111



伟大的科学从这里诞生

----2013年美国最有趣的大学实验室

当我们对大学的科研水平进行综合考量时,科学家们开启紧张冒险旅程的实验室绝对不容忽视。提起大学实验室,浮现在我们脑海中的是什么呢?白大褂、小白鼠、培养皿、量杯……这些都是老黄历了。美国《大众科学》网站近日为我们遴选了2013年美国最炫最潮的十大大学实验室。这些实验室千奇百怪,各有千秋。


冰立方中微子天文台     学校:威斯康星大学麦迪逊分校

    每天,位于美国亚孟森-斯科特南极站冰面下的冰立方中微子天文台都会在朝霞中迎接破晓的到来,这里是科学家们处理冰下传感器数据的地方。冰立方天文台是同类天文台中最大的一座,它的使命是搜寻几乎可以穿透所有物质的神秘亚原子微粒——有“宇宙信使”美誉的中微子。通过追踪中微子的“倩影”,冰立方天文台将会揭示隐藏在极端天文事件背后的物理细节,同时发现暗物质和暗能量存在的证据。

    中微子是一种质量几乎为零的粒子,很少同其他物质“往来”。每秒钟都有数万亿个中微子穿过地球,它们携带的信息可能有助于科学家们揭示超新星的物理学原理以及高能宇宙射线的源头。因为行踪飘忽不定的中微子发出的信号非常微弱而且罕见,所以,科学家们必须在南极冰层内埋藏数个垂直排列的探测器,以便阻止宇宙射线和太阳发出的中子。冰立方黑暗的地下装置内干净的冰使得探测器能够“看到”中微子接触冰内原子后出现的微弱蓝光。

    每年,会有数十名来自威斯康星大学麦迪逊分校(或者其4050个国际合作机构之一)的本科生前往冰立方中微子天文台进行科学研究。对于大多数人来说,他们的工作就是监测欧洲和美国科考站内的探测器发出的信号。但是,对于少数幸运儿来说,这意味着一次前往南极的科学旅行。通过体能测试之后,学生们就展开了一场为期72个小时的旅程。他们首先会在新西兰短暂停歇一下,接着前往南极洲的麦克默多研究站,再飞往南极科考站。如果资金获得批转,威斯康星大学麦迪逊分校可以派遣4名学生,在南极度过长达3周的暑期科考时光。

    一旦学生们适应冰立方中微子天文台9000英尺的高海拔,他们就会开始潜心监测中微子探测器发出的信号,同时直面零下20零下30摄氏度左右的寒冷。这项研究或许并非那么舒适惬意,而且,要监控的目标对象也非常非常微小,但学生们获得的结果将有助于解决宇宙中最大的问题。

学生们未来可能的职业选择:粒子物理学家、太阳物理学家、电子工程师等。


    法医鉴定人类学研究中心     学校:田纳西大学

    风靡一时的美国系列电视剧集《犯罪现场》(《csi》),这部曾入选2002年美国“十大最佳电视影集”的电视剧,剧中人物利用高科技进行尸检的破案手段给人留下了深刻印象。尤其是在《拉斯维加斯》篇前几季里,女人类学家根据尸体的腐烂程度调查、毛发鉴定、血液显形等让罪犯现形的情节更是让人叹为观止。

    在《csi》这部以真人真事改编的电视剧中,在《拉斯维加斯》篇里的人物和情节当然也并非全然虚构,活生生的现实原型就是田纳西法医人类学研究中心的法医人类学家们。

    美国田纳西州诺克斯维尔市有一处3英亩的森林覆盖的悬崖峭壁,这里可以俯瞰整个田纳西河。每学期,大约75名大学生会协助田纳西大学的法医鉴定人类学教授达沃尼·伍尔夫·斯特德曼在这里处理尸体。斯特德曼主要钻研尸体腐烂的各种方式。

    学生们会帮助斯特德曼教授监测100具捐赠的尸体在不同腐烂阶段的情况。他们或许也会研究包括绿头苍蝇等在内的食肉动物群的生命循环以指出尸体的死亡时间;他们也会从这些尸体中提取出DNA并测试死者是否有中毒迹象,侦查人员可以利用这些结果来确定谋杀案中死者的身份以及是否存在毒药。有时候,学生们甚至在执法机构的要求下,帮助斯特德曼教授重现犯罪现场。

    一旦尸体上的大部分肉已经被昆虫蚕食,学生们就会将尸体剩下的部分运回实验室。随后,他们戴上手套和清洁设备,开始鉴定骨头、骨架和病理学以及尸体遭受了何种类型的损伤。最后,他们会将骨架移到该大学日益增多的尸体收藏室中。目前,该大学已经收集了1000具尸体。

学生们未来可能的职业选择:法医病理学家、法医科学家、法医人类学家等。


    纺织品研究中心     学校:北卡罗莱纳州立大学

    罗杰·巴克的纺织品实验室内最重要的老师是人体模型。巴克使用三类模型来再现真实世界的环境,从而研究纺织品对极端环境如何反应。第一种模型是燃烧假人。燃烧假人可以耐受模拟发生火灾的建筑物环境,它有122个热传感器,可以记录热流动,与此同时,巴克也会使用8个丙烷气体燃烧弹来测试这些燃烧假人的反应。第二种模型是目前还处于研发阶段的高频电磁曝露报警仪radman,其拥有的传感器可以记录下模拟的森林大火产生的辐射热。另外一种还未命名的人体模型也拥有热传感器、关节以及100多个汗孔,巴克可以借用这一法宝来测试制服和户外服装的性能。

    每年,大约有10名北卡罗莱纳州立大学的本科生会参与到巴克的多个研究项目中来。例如,2012年,一群学生对混合有杀虫剂(以防止蚊虫)的军装进行了测试,以确保军装上的化学物质不超过环保部设定的限制指标。学生们也会假扮人体模型:一群学生全身上下涂满了治疗皮肤病的冬绿油,以确保安全的服装不会让化学武器的攻击得逞。研究助理教授布莱恩·奥蒙德表示,学生们唯一不能做的工作是在爆破室充当燃烧假人。

学生们未来可能的职业选择:材料工程师、运动服设计师等。


    国立风力研究所     学校:得克萨斯理工大学

    得克萨斯理工大学的学生们正试图防御飓风、龙卷风以及其他危险风暴带来的破坏。通过研究极端风暴如何形成、如何演化以及它们会造成什么样的破坏,工程师们能设计出更好的房屋结构来对抗它们。

    在国立风力研究中心的碎片撞击实验室内,研究团队使用一种特制的高抗冲枪(最常见的风暴射弹)来朝着砖壁、避难所、保险柜射击以证明这些目标材质和设计的强度。其他研究团队则竞相在飓风有可能会登陆的各地布置传感器,以便收集与风速、湿度等有关的数据。

    今年,2名研究生甚至参与了联邦紧急管理局资助的研究项目,对这些暴风雨避险处在今年5月份龙卷风袭击俄克拉何马州时的表现进行评估。

学生们未来可能的职业选择:结构工程师、大气科学家等。


    野生动物生态学与自然环境保护     学校:佛罗里达大学

    每年暑假,当野生动物生态学教授罗伯特·康纳利的学生前往非洲南部的内陆国斯威士兰进行科研考察时,他都会给他们列出一长串野外生存指南“小贴士”,其中包括:时刻提防狒狒、不要感染疟疾、不要在河边漂流等,因为这个国家盛产河马、鳄鱼以及血吸虫。经过这些知识洗脑后,佛罗里达大学的15名学生会前往该地进行为期1个月的生态学和自然环境保护领域的考察。在学生们进行田间试验期间,他们会使用无线电手机接收埃及夜凹脸蝙蝠发出的信号或收集长颈鹿的排泄物用于遗传分析。

    当然,这些学生也可能在马洛洛特加自然保护区薄雾迷蒙的山脉里搜寻黑尾牛羚;或者在一望无际的大草原上研究黑斑羚和斑马。作为课程的一部分,他们还会进行夜间驾驶比赛,搜寻非洲夜猴并前往南非附近的克鲁格国家公园进行实地考察。

    康纳利也非常了解学生们的渴求,他会刻意有选择性地让部分希望在森林中度过更多时间的学生在他们位于斯威士兰的临时驻扎地待上几天。该驻扎地由佛罗里达大学的研究生和来自非政府组织非洲之外(all out africa)的成员管理。康纳利说:“佛罗里达大学的所有学生都可以申请,除了需要选修一门生态学课程增加基础知识外,没有任何其他要求,我希望学生们对野生动物保护始终怀抱激情而且愿意孜孜不倦地学习。”

学生们未来的职业选择:野生动物生态学家、公园生物学家等。


    能源材料研究与测试中心     学校:新墨西哥技术大学

    范·罗梅罗的学生并不想成为容易获得巨大财富和声望的医生或者律师,他们想把东西炸成碎片再进行研究来谋生。罗梅罗是新墨西哥技术大学负责研究和经济发展的副校长。当他的学生们引爆任何爆炸物,无论是C4塑胶炸药还是三硝基甲苯(TNT)时,他的同事都会在旁边监督学生的“一举一动”。

    去年春天,大一新生们首先在学校新建的交互式实验室进行了实验,这个大小为1220平方英尺的实验室内配备了三星的平板电脑—用于学生们之间分享项目设计以及一台3D打印机。

学生们未来可能的职业选择:核武器研究专家、施工爆破工、国土安全承包商等。


    喷气推进实验室     学校:加州理工学院

    今年夏天,加州理工学院的喷气推进实验室将迎接来自全国各地大约450名本科生,进行为期10周的实习。在这个实验室内,学生们能够进行行星科学、天体物理学、太空生物学以及机器人等方面的研究。

    此前,在此实习的学生们所做出的科学贡献包括:帮助研制好奇号火星探测器上的设备;分析开普勒宇宙飞船(其目前正在搜寻有潜力适合人类居住的系外行星)传回的数据;研究在地球极端环境下生活的生物以便了解生命如何在宇宙中生存等等。喷气推进实验室的高校主管艾德里安·庞塞表示,这些实习生们“徜徉在人类知识领域的前沿阵地”。一旦他们毕业,大约100曾经在喷气推进实验室实习过的学生会选择永远留在这个实验室工作。

学生们未来可能的职业选择:天体生物学家、天体物理学家、工程师、计算机科学家等。


    丹佛自然科学博物馆     学校:科罗拉多州立大学和科罗拉多学院

    犹他州南部的“罪恶之地”以其崎岖不平而“臭名昭著”,沙岩峭壁和峡谷组成的迷宫将这里的夏天变成一座“火炉”,但情况也并非总是如此。

    其实,早在7500万年前的白垩纪晚期,这里是一个巨大的海岸绿林,类似于今天的墨西哥湾岸区,里面蛙声阵阵、蜥蜴和暴龙四处横行。当这些动物死亡之后,它们的尸体会变成沉渣,沉积在河底深处,这就使得犹他州南部一跃成为美国最丰富的化石层所在地。

    每年,丹佛自然科学博物馆的脊椎动物古生物学者约瑟夫·塞蒂奇都会带领学生们前往该地搜寻化石,与远足野营的旅程相比,这一旅程更加艰难但也更有趣味。学生们扛着锄头、手持斧头、拿着天然气动力的切石锯,挺进犹他州大阶梯艾斯可兰特国家纪念区的凯佩罗维兹(kaiparowits)组地层的深处。

    该处海拔800英尺,人迹罕至,到处都是沙子和泥岩。塞蒂奇表示:“这地方就像小行星上的‘失乐园’。在科考中,学生们会行进7英里挖大坑,接着,继续前行,到达穷乡僻壤处,找出那些新的、还未被开发的处女之地。有些挖掘点非常便宜,以至于工具都必须由直升飞机运送到。不过,正是在这些人迹罕至之处,学生们找到了豌豆大的蜥蜴骨架以及鸭嘴龙的骨架。

    大多数本科生都会在这个地方停留几周,也有学生将自己的研究情况扩展成一篇研究论文。持续时间长达1个月甚至2个月的实习计划正在研究拟订中。塞蒂奇表示:“学生们已经成为这些项目得以顺利进行的关键,是主要的研究生力军。”

学生们未来可能的职业选择:古生物学家、地理学家、博物馆馆长


    爆破工程研究中心     学校:密苏里科学技术大学

    参与保罗·沃思尼爆破项目的学生们有一门新课程需要学习:制造烟花。他们将易燃烧的化学物质磨碎并将其同专业级的烟花混合在一起,最终制造出一款高达五英尺的烟花炮并点燃它。学生们也能修习商业烟花和烟火制造方面的课程,从而学会设计、制造烟花并在重大节假日进行烟花表演。

学生们未来的职业选择:烟花制造师、动画设计师、爆破专家等。


    巴顿实验室     学校:阿克伦大学

    只有那些最坚强最脚踏实地的本科生才能进入海兹·巴顿的实验室进行研究,这是一项非常大的荣誉。巴顿研究洞穴微生物,学生们常常会在巴西的洞穴里进行科学研究。前往巴西的洞穴并非易事,他们必须穿上特制的防止蛇虫叮咬的靴子并且一路披靳斩棘穿越亚马逊丛林才能进入这些洞穴。通过对生活在洞穴中的岩石样本和微生物(这些微生物或许以岩石上的铁为生)进行分析,学生们会知道如何更好地预测污水池和洞穴的信息。巴顿和她的学生们也会研究不同的微生物物种之间的竞争,这样的研究有助于他们研制出新型抗体。

    学生们未来可能的职业选择:微生物学家、地球化学专家、太空生物学家等。

(摘自《科技日报》2013.10.01)



当我们“俯瞰”这个世界的时候,看到的是,将树木制成纸张,将石头刻成雕像,将钢铁铸成铁轨。那么当我们站在“底部”仰望这个世界呢?是否可以从单个分子甚至原子出发,将它们按照自己的意愿组装成一片纸、一粒沙甚至一片森林?

在纳米的世界里,回答是肯定的。这起初只是科学家的一个梦想,但如今这个梦慢慢开始融入现实生活。纳米技术从上世纪90年代中后期开始被炒得红红火火,到21世纪初慢慢冷却,到现在又重新频繁出现在人们视线中,“纳米”的世界到底有何变化?


纳米世界有多神奇?

赵展慧张之豪


在纳米尺度下看世界,景观将会天翻地覆

一根头发丝直径有8万纳米,物质尺寸小到一定程度就会引起质变

纳米是一个计量单位,纳米尺度的物质其实并不稀有,我们日常每天都与它们亲密接触。

让人畏惧的PM2.5,其中就有许多纳米级的颗粒,凭借微小身躯可以侵入我们的肺部。高防晒指数的防晒霜中普遍都含有纳米二氧化钛、氧化锌微粒,因为这些纳米微粒对在300—400纳米波段的紫外线有强吸收作用。

还有著名的中国国家大剧院的穹顶,如果北京的雨水多一些的话,它能看起来更光亮。因为它是由超亲水、光催化等性能的纳米自清洁玻璃和自清洁钛板组成,表面污垢易被雨水清洗掉。

纳米有多大?如果将一纳米和一米比较,就好像是高尔夫球和地球作比。一根发丝的直径就能有8万纳米。将10个世界上最小的原子——氢原子排列成一条线,就是一个纳米的长度。

1100纳米这个微小的特定区域,被科学家们称为纳米尺度。虽然我们日常就能亲密接触纳米级物体,但是它们焕发的神奇特性却不平常。

在纳米尺度下看世界,景观将会天翻地覆。纳米级的金子还是金灿灿的么?事实上,所有的金属在纳米尺度下都呈现出与宏观尺度不同的色彩,尺寸越小,颜色愈黑。

石墨片容易分层,当石墨片被剥离到仅有一个碳原子的厚度成为石墨烯后,就具有了超出钢铁数十倍的强度。

原本导电的铜加工到某个纳米尺度就不导电。而绝缘的二氧化硅等,在某个纳米尺度时开始导电。

为什么会有这样的逆转?因为当球形颗粒的尺寸越来越小,它的表面积与体积的比就会越来越大,量变到一定程度就会引起颗粒性质的质变。比如当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,就失去了反射原有富贵的光泽的能力而呈现出五颜六色。

“一些并不活泼的金属在纳米尺度时,会变得非常活泼,比如非常容易引起爆炸。”国家纳米科学中心科技管理部副主任任红轩告诉记者。

打个并不非常准确的比方帮助理解,在金属颗粒较大时,金属原子簇拥在一起,活动受限,“伸个懒腰”也很困难,而当到纳米尺度的时候,原先被束缚的化学键就能伸展开“胳膊”,金属原子活泼的天性就被释放出来。

这种物质在纳米尺度下产生的奇异的物理、化学特性就被称为纳米效应。而在纳米尺度范围里研究物质的特性和相互作用,包括那个对原子、分子的操纵来组合物体的梦想,如今已经形成一门新学科——纳米科技。


科学家在纳米尺度下编织想象

纳米技术应用空间巨大,中国与发达国家几乎处在同一起跑线上

窥到了纳米的世界,人类就像挖到了无穷尽的宝矿一样。纳米尺度下这些奇异的物理、化学特性让科学家们开始编织想象。

就拿一辆汽车来说,从车身到车轮,纳米材料几乎能够引起每一个部件的变革。

纳米级的稀土材料能够大大提高汽车尾气及车内空气净化效率;

纳米材料制造的酒精传感器质量轻,并且能够极灵敏感受到车内酒精含量超标,将限制汽车发动;

纳米润滑油能够填充金属发动机或者齿轮的表面微孔,形成单分子有机膜,最大限度地减少金属表面摩擦,大大降低了能耗,并使机械寿命成倍增长;

引入纳米电极的电池系统让高效、低污染的电动汽车成为现实。

……

这还只是纳米应用的一个方面。目前,纳米技术还在新能源、节能环保、生物医药、信息产业、新材料等产业都有用武之地。未来世界,我们或许可以用着几秒钟就能充满电的手机,有纳米机器人帮我们治病……

“也正是因为纳米技术是一项应用空间还十分巨大的新兴技术,我们国家的纳米技术发展与发达国家几乎处在同一起跑线上。”任红轩说。

根据美国科学引文数据库“Web of Science”SCIE)的统计,2009年我国发表的纳米科技论文总量排名世界第一,目前我国纳米科技专利授权数量已位居世界第二。

我国的一些纳米研究成果解决了重大科学问题,引起了国际上的极大关注。例如,我国首次“拍摄”到碳原子间单键和双键的分子图像;合成了碳材料“家族”的又一个新成员——石墨炔;合成出新型纳米抗肿瘤药物;碳纳米管器件研究进入国际半导体发展路线图等等。 

同时,在产业化方面也已取得进展。为了加速纳米科技成果产业化进程,北京市启动了纳米科技产业园建设,目前29项国字头纳米项目落户产业园,形成了纳米绿色印刷、纳米能源、纳米膜材料、碳纳米材料等板块快速聚集态势。比如近期正式落户的超顺排碳纳米管阵列产业化项目,可通过精确排列获得碳纳米管薄膜,目前在全世界只有中国才能生产制作,在触摸屏、超细导线、瞬时加热器、超薄扬声器等多个领域具有广阔的应用空间。

纳米技术不仅仅代表了新兴技术,它的特种功能及结构材料还能够促进传统产业的升级换代,比如汽车、建筑、纺织、机械行业等。“如果把总体经济比作一个盛水的木桶,那么纳米技术不仅能补上传统经济转型不足的短板,还能筑高与国际差距较小的新兴产业的长板,这样,木桶能存储更多的水。”任红轩用“木桶效应”来解释纳米技术对中国经济的意义。

钱学森先生也曾预言:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点,会是一次技术革命,从而将是21世纪的又一次产业革命。”


对纳米科技的想象走在了成果前头

当前最需攻克技术成果转化问题,未来基础研究向应用研究及产业化转变

纳米技术的前景很光明,但是在任红轩看来,还得先按捺下激动的心情,“纳米技术成果转化及应用的周期比较长,真正实现产业化的成果仍然十分有限,比如迄今为止,世界范围内真正纳米化且商业化的汽车零件仍然不多。”

“目前想象远远走在了成果的前头。”任红轩认为纳米技术当前最需攻克的是技术成果产业化。

“纳米”一词从科学家的实验室中蹦出来,到为世人所熟知,这个过程其实是一个从默默无闻到大鸣大放、又重新遇冷的阶段。曾有一段时间“纳米”频现、鱼龙混杂,让许多人甚至有了反感的抵触情绪。

如今,经过一个阶段的大浪淘沙,纳米科技步入了一个冷静良性的发展阶段,意味着人们更清醒地看到纳米技术应用仍十分有限。

一种纳米银粉打印的地铁票和景区门票,目前已经在北京部分地区试用,对比以前的蚀刻工艺,这种票的制造流程简化,非感光、无污染,成本降低,回收效率和价值更高。

在研发这种绿色门票的北京中科纳通电子技术有限公司总经理殷文钢看来,这只是公司纳米材料走向应用的一小步,“我对前景十分乐观,但是真正做起来才发现至少有三大难:技术转化周期长,工艺设备先天不足 ,产业链还需要进一步聚合打通。”

当前的困境也是未来发展趋势,任红轩认为,未来纳米技术投入会由基础研究向应用研究及产业化转变,纳米研发会由从单打独斗向合作发展,更加重视微纳米加工和检测仪器的研发,更加着重向生物和电子方面应用发展。

与此同时,科学家们还要回答这些问题:纳米级颗粒如此微小,能够穿透皮肤进入人体肺部甚至自由漫游,会不会成为体内“杀手”?如果有人通过纳米材料操控生物基因,会不会制造出什么“怪物”?纳米炸弹会不会带来更大灾难?

“一方面是大力发展纳米技术的应用,另一方面当务之急是要制定标准。”任红轩认为应该鼓励研究单位与产业界结合,共同制定纳米产品及检测标准。“这样既能够规范市场行为,将一些低质量无竞争力的企业洗牌出局,又能够约束纳米技术造成的潜在危害。”

正如科学家们所讲,不成熟的技术仍是幻想,纳米梦想的真正实现依然还有很长的路要走。

(摘自《人民日报》2013.08.02.)

__________________________________

参阅资料E-mailstgu@fudan.edu.cn Tel:65642877-603

7