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阿尔茨海默病的困境与出路

[转贴自:科技日报    点击数:2171    更新时间:2019年04月18日]

    《都挺好》一剧热播之后,老年痴呆即阿尔茨海默病(以下简称AD)再次走入大众视野。不过,医学上它的发生、发展至今仍是一个谜。当人们认为β淀粉样物质的沉积导致神经元损伤是它发生的罪魁祸首时,进行多年药物开发的巨头药企却不得不宣布已经进入Ⅲ期临床试验的一切努力均告失败。

    在人类对AD的研究过程中,多次以为生机“乍现”,却只是漫漫黑夜中的流星。近日,以“衰老与神经退变的生物学基础及临床干预”为主题的香山科学会议第647次学术讨论会召开,中国科学技术大学神经退行性疾病研究中心申勇教授讲到,目前能确定的因果关系是:衰老是神经退行性疾病的最大风险因素,年纪越大患病的可能性越大。

    数据显示,65岁的人群中约有10%的人患病,而在85岁人群中则约有50%的人患病。“AD患者记忆受损为首发症状,这提示了海马的早期受累,进而出现多个认知领域的受损,提示更为广泛的皮层损伤。”北京协和医院神经科主任崔丽英教授说。

    随着我国社会快速老龄化,AD的发病率会越来越高。《都挺好》除了反映原生家庭矛盾的刻骨铭心,也是对我国即将步入老年社会的隐忧敲响了警钟。因此,对AD机制的解密迫在眉睫。

探索艰难:以为差之毫厘却是谬以千里

    2016年11月23日,巨头药企礼来公司宣布其AD新药Solanezumab在Ⅲ期试验中未达到临床主要终点,试验失败。随后的2017年和2018年,美国默克和辉瑞公司也先后宣布其关于AD的新药研发失败。

    “近20—30年来针对β淀粉样物质(AD患者脑中的沉积物)的AD治疗研究都是失败的结果。”崔丽英介绍,AD作为一种老年神经退行性疾病,目前仍旧在探索潜在的治疗靶点。

    失败的药物研发以有害蛋白的聚集为AD发病的原因。研究发现,AD患者的神经系统中会发现多种错误折叠蛋白,进而构成不可溶的聚合物,患上AD。过去认为消除这些蛋白就可恢复认知。

    因此人们以这些蛋白为靶子,用药减少蛋白可以缓解AD症状,然而在细胞、动物上有效的药物,在人体上却数据不佳。巨头经年、巨资的临床研究给出的结果是,实验药物组与安慰剂组没有显著差异。

    为什么会出现这样的结果?人们开始怀疑蛋白沉积假说可能并不完善,也有人批评该假说其实在机制理论上未加证实,因而给出了错误的引导。

    机制的不明了,使得一些看起来只差毫厘的结论,其实谬以千里。“在线虫和酵母中都明确看到了Sir2表达过量之后,会延缓衰老。”中国科学院生物物理所研究员朱冰介绍,Sir2及其同源物被延长模式生物生命周期已成学界共识,而“人体中的Sir2”是人源SIRT1。理论

    上讲,让人源SIRT1多产生出来,可以抗衰老并减少衰老的并发症例如AD。

    “哈佛教授David Sinclair发现了白藜芦醇在体内和体外均可以有效促进SIRT1的去乙酰化酶活性进而延缓衰老,并成立了一家生物技术公司,将它以7亿美元的价格卖了出去。”朱冰说,但是接手公司一年后就放弃了这个高额买进的“烫手山芋”。风波前后,白藜芦醇被高调炒作,至今仍与花青素、胶原蛋白并称为口服抗衰界的三座大山。

    最终是中国科学院生物物理研究所许瑞明研究组用结构生物学的方法揭示了去乙酰化酶SIRT1与激动剂白藜芦醇之所以发出了“一拍即合的光”,是因为其用于检测的荧光修饰基团做了“拉郎配”的第三方。许瑞明解出了蛋白结构,结果不言自明,白藜芦醇被请下“神坛”。

旁路突破:脑梗与痴呆或许关联密切

    “近年的临床试验显示,靶向单一的药物治疗未取得突破性进展。这提示我们单一目标和单一治疗手段并不适合痴呆。”首都医科大学附属北京天坛医院副院长、神经病学中心主任王拥军教授认为,对AD的治疗应考虑它患病的综合因素。

    “近期的研究提示血管疾病与痴呆之间具有较强的相关性。”王拥军说,牛津血管研究也提示卒中病史和卒中严重程度增高显著增加痴呆的风险。此外,来自美国、加拿大的一系列研究表明血管因素在痴呆发生中起着重要作用。

两种基因可作抑郁症诊断标志物

      日本国立精神神经医疗研究中心与DNA芯片研究所合作发现,核糖体基因RPL17和RPL34与抑郁症及应激易感性有关,可以将这两种基因在血液中的表达量作为诊断标志物。

      研究小组全面调查了普通成年人血液中随着应激易感性而变化的基因表达谱,并将调查获得的主要结果与抑郁症患者相对照,由此发现,核糖体基因RPL17及RPL34在应激易感性和抑郁症中都起着重要作用。

     调查还发现,核糖体基因簇中有8个基因表现出显著的表达波动,表达量均随着应激易感性而增加。

北斗发射背后原来这么“惊险”

     11月5日,北斗三号双星在西昌卫星发射中心发射成功,迈出了北斗卫星导航系统全球组网的第一步。短暂庆祝后,中心归于平静,投入到后续任务准备中。在接下来一年多里,还有十多颗北斗卫星要从这里走向太空。

    北斗卫星导航星座由中圆轨道、倾斜地球轨道和地球静止轨道卫星组成,都属于中高轨道。“目前中高轨道卫星主要由长征三号甲系列火箭发射,该系列火箭只能在西昌卫星发射中心实施发射。另外,作为我国较低纬度的发射场,在西昌发射效费比很高。”西昌中心人力资源部主任林玉南表示。

    因此,西昌与北斗结下了不解之缘。17年来,该中心共执行25次北斗发射任务,成功发射包括4颗试验卫星在内的29颗北斗卫星,成功率达到100%。在这座闻名世界的“北斗港”,科技日报记者听到了北斗发射幕后鲜为人知的故事。

发还是不发,这需要担当

    2000年10月31日和12月21日,前后不到两个月,西昌卫星发射中心连续成功发射两颗北斗一号静止轨道试验卫星。我国首次使用双星定位技术组成“北斗”区域卫星导航系统。

    但接下来的发射并不那么顺利。2003年5月24日晚,长三甲火箭托举着第三颗北斗试验卫星等待飞天一刻,天降大雨。

    21时许,控制系统报告:给箭上三级火工品和电磁阀等设备供电的关键线路——M3母线漏电。此时距预定发射时间不足3小时,发射“窗口”也只有短短51分钟。如果坚持发射,故障可能造成箭上火工品误爆或不起爆,导致发射失败;如果中断发射,低温推进剂已加注完毕,损失难以估量,还会留下重大事故隐患。一时间,指挥中心陷入两难。

    中心火箭控制系统团队站了出来。他们在塔架爬上爬下,仔细检测分析后得出结论:漏电现象是由于环境湿度较大,部分接插件结霜引起,不会影响母线供电电压,可以发射。

    5月25日零时34分,卫星发射升空,成功进入预定轨道。

“关门”前一刻挤进“导航俱乐部”

    1994年,我国决定启动北斗一号工程,进行卫星导航试验探索。当时,美国GPS、俄罗斯格洛纳斯各发射了20多颗卫星,已完成全球组网,并占用了最适合卫星导航的黄金频段。中国与正在建设伽利略卫星导航系统的欧盟,推动国际电联从航空导航频段中最大限度地挤出一小段以供使用。2000年4月18日,北斗和伽利略系统同时申报。按照国际电联规则,必须在7年内成功发射导航卫星,并成功发射和接收相应频率信号,才能获得该轨道位置和频率资源,否则将无法取得合法地位。

    2005年,欧盟发射了首颗伽利略导航卫星。此时,我国虽已发射三颗北斗试验卫星,但其不具备主动发射下行信号的能力。符合国际电联规则的北斗二号卫星仍在研制,但时间很紧迫。

    北斗人背水一战,倒排工期,将研制周期大大缩短。同时,西昌卫星发射中心也攻克了首次使用新改建发射工位、首次使用远控模式、首次发射中圆轨道卫星等多项挑战,针对此次任务分析风险、制定措施、把控节点,扎实做好了各项准备。

    2007年4月14日4时11分,这颗肩负着重要使命的北斗卫星起飞,于4月17日20时许传回了信号。此时,距离国际电联的“七年之限”只剩不到4个小时。

摸着老天爷脾气找“战机”

    在全球十大航天发射场中,西昌卫星发射中心的气候条件较为复杂,发射窗口气象保障难度很大。雨中发射,对该中心来说已是家常便饭。但在2011年一次北斗发射任务中,他们创造了极端恶劣条件下发射成功的纪录。

新华社记者揭秘“福特”号航母

      美国海军最新一代“福特”级航母首舰“杰拉尔德·福特”号近日在弗吉尼亚州正式服役。新华社记者通过探访“福特”号发现,这艘耗时8年建造、造价达130亿美元的核动力航母不仅装备精良,设施也更加“人性化”。
 
温度低湿度大
 
    “福特”号内部制冷效果良好,舱内完全感受不到外界超过30摄氏度的高温。据介绍,“福特”号9个空调机房能够产生9900吨冷气,通风系统使用软管平衡分配,遍布“尼米兹”级航母和其他大型战舰的高温蒸汽管道也被电子动力系统取代,以减少封闭环境高温高湿对船员的折磨和对电子设备的侵蚀。
 
    “置身‘尼米兹’级航母推进动力舱中,温度接近40摄氏度,”一名水手告诉记者,“但是‘福特’号动力舱里温度只有27度。”虽然空调系统制冷强劲,但是记者发现,“福特”号舱内湿度依然很大,随手一摸,就能感受到舱壁上附着薄薄一层水汽。
 
    “福特”号船舱通道比往代航母更宽敞,不过两人相遇时仍要侧身相让。舱门门槛较高,上下船舱主要靠一人宽、倾角超过70度的带扶手爬梯。“福特”号军官贾森·赛恩告诉记者,由于舱内潮湿、爬梯湿滑,经常有人跌倒。
 
海上最好健身房
 
    “福特”号是美国第一艘在设计阶段就考虑配备健身房的航空母舰,不像“尼米兹”级航母上的健身房都是通过改造其他舱室而来。记者在“福特”号一间健身房内看到了举重器械、单车、跑步机、椭圆机和拳击器具等。
 
    据悉,“福特”号上健身房总面积超过300平方米,有专职健身教练负责评估船员体能状态,提供力量、瑜伽等健身课程,并督导船员的饮食和休息。船员需要定期接受体脂、柔韧性和跑步测试,未通过者须接受纠正性训练。
 
   “福特”号舰长约翰·迈耶表示,“福特”号拥有“海上最好的健身房”。
 
宛若小城市
 
    据介绍,“福特”号没有“尼米兹”级航母上常见的180人大卧舱,取而代之的是最多容纳40人的小卧舱,以降低噪音和舱内穿行距离。
 
    卧舱卫生间配备淋浴喷头、马桶和水槽。船员不需要再为洗澡而在船舱内“长途跋涉”。曾在“西奥多·罗斯福”号航母上服役的一名水手说,在“罗斯福”号上,去洗澡要穿戴整齐,十分不便,但在“福特”号上不存在这种情况。
 
    卧舱里没有小便池,都被抽水马桶取代。好处在于方便海军轻易适应航母人员结构调整。但也有人指出,马桶卫生性差、更占地方,而且“福特”号男性船员占绝大多数。
 
    休闲室被安排在远离卧舱的区域,船员不用担心被打游戏或打扑克牌的声音扰梦。休闲室配备了舒适的桌椅和平板电视,船员可以点播电视剧或电影,休闲室和卧舱也有无线网络,不过一旦航母出动,所有娱乐服务都会停止。
 
    航母餐厅呈中心辐射状,有三个入口。美国海军推崇健康饮食,不提供重油餐食,船员无论级别,吃食都一样。此外,甲板下还有商店、理发店、小教堂、医疗站和消防站等,宛若小型城市。

中国规划5颗新的科学卫星 有望取得重大创新突破

     新华社北京6月1日新媒体专电(记者喻菲 胡龙江)中国计划在未来5年左右研制并发射5颗新的科学卫星,有望在空间科学、技术和应用方面取得一系列重大创新突破。专家表示,空间科学卫星是人类认知自然取得重大突破最重要和最直接的手段之一,对宇宙的探索和研究可使中国在基础科学方面不断产出重大原创性成果,并将引领中国实现从航天大国到航天强国的跨越发展,为航天产业升级提供新的增长点。

“十三五”科学卫星要探索什么?

    中国科学院国家空间科学中心主任吴季透露,目前中科院已遴选出5个空间科学卫星项目,争取在2020年前后发射。这5个项目包括:中欧联合空间科学卫星任务太阳风-磁层相互作用全景成像卫星计划(SMILE)、磁层-电离层-热层耦合小卫星星座探测计划(MIT)、全球水循环观测卫星(WCOM)、爱因斯坦探针(EP)和先进天基太阳天文台(ASO-S)。

    据介绍,太阳风-磁层相互作用全景成像卫星计划(SMILE),对人类进一步了解太阳活动对地球等离子体环境和空间天气的影响,具有重要的科学意义和应用价值。磁层-电离层-热层耦合小卫星星座探测计划(MIT),对于深入理解影响空间天气的一些重要物理过程有着重要意义,与国际同领域的任务相比具有独特的切入点和创新思想。

    全球水循环观测卫星(WCOM)将实现对地球系统中水的分布、传输与相变过程的机理及水循环系统的时空分布特征认识上的突破,揭示全球变化背景下水循环变化特征,深化理解水循环对全球变化的响应与反馈作用的科学规律。爱因斯坦探针(EP)致力于发现和探测几乎所有尺度上的沉寂的黑洞;探测引力波爆发源的电磁波对应体并对其定位;系统性地开展大样本X射线源的时变巡天监测。

    中国首颗太阳探测卫星——先进天基太阳天文台(ASO-S),将结束中国科学家一直使用国外太阳观测资料的局面。这颗卫星将观测并研究太阳耀斑和日冕物质抛射相互关系和形成规律、太阳耀斑爆发和日冕物质抛射与太阳磁场之间的因果关系,研究太阳爆发能量的传输机制及动力学特征等。它对重大灾害性空间天气事件的预报,将为中国空间环境保障做出重要贡献。

科学卫星体制创新释放中国航天发展活力

    吴季说,中国自1970年4月发射第一颗人造卫星以来,应用卫星、载人航天和月球探测取得了巨大成就,在加强国防、普及应用和激励民众方面发挥了重要作用。“但是限于历史、体制方面的原因,这些航天工程任务偏重于工程实现,在发现空间科学新知识、引发前沿技术变革、带动战略性新兴产业发展等方面还未达到预期要求,空间科学还未能在国家创新驱动发展战略中扮演重要角色。”吴季说。

    他介绍,为了弥补中国航天事业在空间科学和探索领域的短板,“十二五”期间,中科院在国务院批准实施的战略性先导科技专项中,将空间科学卫星计划作为其中最大的项目予以支持,为中国科学卫星系列的发展探索出了一条体制机制创新之路,确立了以科学目标重大性和带动性为核心的卫星计划遴选标准,创建了确保重大科学产出的科学卫星工程管理体制。

    中国自去年以来,已经发射了暗物质卫星、实践十号卫星,今年还将发射量子卫星和硬X射线调制望远镜。“这一系列空间科学卫星与载人航天工程、月球与深空探测工程共同组成了互不替代且相互补充的空间科学发展布局。”吴季说。

    这些动向引起了国际科学界的高度关注。全球顶级科技期刊《科学》和《自然》5年来近10次追踪报道中国空间科学卫星的重要进展,在暗物质卫星发射时报道称:“中国发射卫星加入探测暗物质的空间科学竞争行列”“暗物质卫星的发射开启了中国空间科学的新纪元”,极大地提升了中国空间科学的国际影响力。“空间科学实验与探索‘只有第一、没有第二’的内禀属性决定了每项空间科学计划都是非重复性的、非生产性的,包含了大量新需求、新思路、新设计、新材料和新工艺等,成为中国空间科技重大原始创新驱动力的源头活水。”吴季说。

中国空间科学仍需长远规划

    据统计,美国航空航天局每年190亿美元预算中,50亿美元是用于研发科学卫星。欧洲空间局每年用于科学卫星的经费也有二三十亿欧元。自1957年人类发射第一颗卫星以来,有25位诺贝尔奖获得者是依靠科学卫星数据,其中有17位来自美国。吴季说:“中国是航天大国,每年发射20多颗卫星,直到去年年底才发射了专门用于科学研究的卫星,这与中国的地位并不相称。”

    吴季介绍,除了上述“十三五”的5个卫星计划,中科院也在为“十四五”科学卫星工程研制做准备,将在2017年前后从系外类地行星探测计划(STEP)、X射线时变与偏振探测(XTP)、太阳极轨望远镜计划(SPORT)和空间毫米波VLBI阵列(S-VLBI)这4个正在进行关键技术攻关的空间科学卫星项目中,择优遴选1至2个开展工程研制,在“十四五”期间发射。

   《国家创新驱动发展战略纲要》提出,中国到2030年要跻身创新型国家前列,2050年建成世界科技创新强国,成为世界主要科学中心和创新高地。他建议,应将科学卫星系列纳入体现国家战略意图的重大科技项目,通过长期可持续的发展,实现中国空间科技创新能力从“跟踪”为主向“并行”和“领跑”转变,“让中国人为人类创造新的知识。”

中国芯专利申请量23倍增长 欲摆脱欧美技术掣肘

   芯片

    手机圈曾经流传着这样一个段子:苹果一“饥渴”,其他手机品牌就要挨饿。其实说的是由于高端芯片供应有限,在芯片厂商选择客户时,国产手机厂商只能“稍等片刻”。

    如今,虽然苹果已走下神坛,但背后折射出的畸形的商业生态状况依然存在,“一芯难求”的局面仍然困扰着渴望走高端路线的终端手机厂商。而在其他领域,虽然如华为海思、中兴微电子等国产芯片的自给率逐年提高,但在对稳定性和可靠性要求很高的通信、工业、医疗以及军事的大批量应用中,依然是国际芯片厂商的天下。

    中国社科院在2014年《经济蓝皮书》中指出,中国工业虽然存在产能过剩状况,但很多行业的高端环节大量依赖进口,例如,芯片90%依赖于进口,每年进口额超过石油。

    “中国的集成电路需求量达到了万亿级别,但和市场需求相比,不到3600亿的中国集成电路产值确实还是不够。”深圳中兴微电子技术有限公司副总经理刘新阳在4月26日知识产权日上对第一财经记者表示,全球芯片专利数量在过去18年里实现了6倍的增长,而中国芯片则实现了23倍的增长,从数量上中国已经成为芯片专利申请第一大国。

   “相比国际企业,中国的集成电路企业需要补的课太多,但要想不受制于人,就必须找到自己的长处,逐步追赶,5G设备上有很多的机会。”刘新阳说,中兴微电子希望在5G终端芯片领域做到全球前三。

“空心之忧”下的追赶

   中国半导体产业协会发布的数据显示,去年12月份全球芯片销售额较上年同期下降5.2%,全年销售额略低于2014年的历史最高水平,其中,中国市场增长7.7%,为销售额唯一增长地区。从体量上看,中国目前已经成为全球最大、增长最快的集成电路市场,2014年市场规模首次突破万亿。

   “中国集成电路的发展是极为快的,在芯片产业涉及到的几个领域中,IC设计增长38.7%,IC制造业增长25%,IC封装业则增长达到16.9%,对比全球个位数的增长,呈现爆发趋势。”刘新阳对记者表示,去年中兴微电子出货量相比2014年有成倍的增长,其中核心的4G芯片增长达到10倍。

   刘新阳说,虽然起步较晚,但从追赶的速度来说,中国企业具有在某一领域赶超欧洲企业的技术实力。

   “过去我们说IC的投入有三高,高风险、高投入、高产出,对于资金的需求非常大,随着摩尔定律的演进,现在要做16纳米的芯片,投入的资金金额不能低于亿元级别。”刘新阳表示,但目前中国企业迎来了较好的发展机遇,国家集成电路产业投资基金的支持,资本推动的支持,让有技术积累的企业有更多的空间发展。

    在国际专利检索公司QUESTEL发布的《芯片行业专利分析及专利组合质量评估》报告中,中国企业在芯片专利数量上已逐步赶上国外老牌企业。但也有业内人士提出质疑,认为目前在很多高精尖的领域中,如高速光通信接口、大规模FPGA、高速高精度ADC/DAC等主要依赖美国供应商。对此,刘新阳对记者表示,从光到电,电到数字需要一些转换的技术,我们把这块的技术叫做ADDA,但很多国内的团队都在做技术积累,国家也在支持,会有实现突破的机会。

   “手机这块我们已经建立起了自己的射频团队,也有自己的产品,目前五模的芯片可以使用自己的。而在基站的处理器等产品上,基本可以做到自己供应。”刘新阳说。

“超车”的机会

    据QUESTEL报告统计,中国芯片专利申请量从2001年之后出现稳定增长,自2010年后申请节奏显著加速,技术创新越来越活跃,整体水平越来越高,对芯片行业的知识产权保护更加重视,到2012年超过3万大关。在全球芯片专利申请量前30位专利权人中,日本公司居多,日立、东芝和NEC排名前三位,其次是美国的IBM、英特尔、德州仪器、高通等老牌企业,中兴通讯、华为的专利申请在国内企业当中排名靠前。

    但和国际厂商相比,手机中国联盟秘书长王艳辉认为仍有天然的差距。他对记者表示,目前国产芯片厂商和国际厂商的差距主要体现在几个方面:一是商业模式上的差距,美国有很多IDM公司,韩国有从头到尾的产业链,中国各自为战,没有清晰的模式;二是龙头企业差距,国内企业的销售额和生产规模与欧美公司相比有一定的距离;三是生产工艺和技术上差异;四是资本差距,有传言称国内集成电路制造行业全行业的研发投入不及英特尔一家的六分之一。

   这意味着,由于难以依靠自身积累完成再投资和持续的研发投入,中国芯片厂商从一开始就输在了起跑线上,但在很多厂商看来,这并不代表未来没有“超车”的机会。

    “华为对于芯片的研究从1991年就开始了,海思芯片去年也实现了5000万片的发货。”华为轮值CEO郭平对记者如是说。而刘新阳也认为在5G时代,中国厂商,特别是具有通信能力的厂商在集成电路领域有更多的优势。“5G技术有更多的连接,可以解决物联网多连接、低延时的需求,这都是中兴微所擅长的领域。”他认为,智能制造和物联网需要集成电路提供更多的智能化或者通信的能力,包括计算、存储、无线控制,同时也联接更多的终端。

   “终端芯片应用趋势上会与智能家庭结合,与未来多媒体数据中心结合,整体市场有很大潜力。”王艳辉对记者表示,从2016年市场,智能终端品类向更宽泛的形态发展,而智能终端市场的活跃会让中国芯片产业有弯道超车的机会。

入睡与醒来由神经通道调控 有望带来治疗失眠的新方法

   科技日报北京4月15日电 (记者常丽君)入睡和醒来这一生物钟转换的神经生物机制在很大程度上还是个谜。近日,美国马里兰大学医学院科学家宣布,发现了这一过程中的一条关键路径工作机理,首次从生物物理层面解释这一过程。

    研究集中在下丘脑部位的视交叉上核(SCN)区,这一区域充当着大脑的内部时钟,决定着人们何时想去睡觉、睡多长时间、何时醒来。他们专门研究了SCN区的BK通道(大电导钙离子激活钾通道),该通道在调控睡眠开关方面起着重要作用。

    研究人员发表在最近的《自然·通讯》杂志上的论文称,他们研究了白天睡觉、晚上醒来活动的小鼠。该校生理学副教授安德烈娅·梅瑞迪斯发现,BK通道在醒来时是活跃的,对小鼠来说,BK通道在晚上活跃而白天不活跃,该通道白天的功能是抑制醒觉。

    梅瑞迪斯改变了小鼠基因使其BK通道无法封闭,并与正常小鼠对比。通过电极记录发现,转基因小鼠由于脑中BK通道无法封闭,神经活跃度较低,使它们白天的醒觉性更高——这并不正常,因为小鼠一般在白天睡觉。

    以往科学家只知道BK通道广泛分布于各种组织细胞内,调控着多种重要生理功能,如激活肌肉、控制血压心率等,脑中的BK通道和神经兴奋性、运动控制、学习与记忆有关等。本研究第一次证明了抑制BK通道是大脑编码昼夜节奏的关键。

    梅瑞迪斯说,以往人们知道BK通道对整个身体都很重要,但现在有强力证据证明,它们的本职可能与睡眠周期有关。脑部昼夜放电模式的关键不在于离子通道数量,而是通道是否被激活,更重要的是它们能否被抑制。这一发现具有重要临床意义,可用于开发针对生理节奏的药物,治疗睡眠障碍,调节时差、季节性紊乱等。

为卡西尼号最后一次任务做准备

    中国科技网3月29日报道(张微 编译)地外文明搜索研究所的研究人员麦特 提斯凯尔诺仍将继续奋战在科研一线,因为著名的卡西尼号宇宙飞船要踏上完成最后任务的旅程。当卡西尼号准备拍摄土星环有史以来最好照片之际,美国宇航局宣布提斯凯尔诺将继续作为“项目科学家”(Participating Scientist)参与重要研究。

    自2011年以来,卡西尼项目就已经开始选择“项目科学家”来提高卡尼西任务的科研效益,具体方法是从不同研究团体中挑选研究者来参与数据的解释和分析。在2004年,提斯凯尔诺作为博士后研究人员开始参与卡西尼任务,并在2012年首次被选为“项目科学家”。今年美国宇航局只选择了四个人作为“项目科学家,提斯凯尔诺是其中一个。

    卡西尼已经位于历史上最成功的航天器任务之列,它的发现包括,土卫二上的冰晶喷泉、土星风暴、土卫六上的海洋以及神秘莫测的土星光环,卡西尼号最后一年的时间将执行“终场演奏”。在将近一年的时间里,它将反复地、近距离地靠近土星环和土星,等到任务完成之后,2017年9月它将以在土星大气中燃烧退役的方式谢幕。

    除了近距离测量土星的重力和磁场(根据这两者的测量结果分析气态巨行星的内部结构),卡西尼号还将直接对土星大气进行采样并测量土星环的质量。它也会多次近距离地接近土星环,最近的距离只有地球直径的几倍。在这样接近的距离下,卡西尼号可以获得比之前任务高两到三倍分辨率图像。

   “我们如此靠近土星环的另外一次时机就是在任务一开始的时候,当时宇宙飞船正在把自己送入预定轨道,此时非常接近土星,” 提斯凯尔诺说。“但这一次,我们会从土星环最外层逐渐纵向靠近,而不是横向穿越,而且我们会不断重复这个动作。因此我们有足够的时间和足够稳定的有利位置来为土星环系统画一幅逼真的肖像。”

    除了对主环的全景扫描,卡西尼将这个的有利位置作为一次机会,来拍摄土星环各个位置的详细图片,在过去几十年里,土星的光环根据其不同的特点被分成几个不同的部分。提斯凯尔诺也将对这些图像进行研究。其中一些图像好像“螺旋桨”形特征,是内含在土星环中的微型卫星造成的。卡西尼号科学家,包括提斯凯尔诺,在过去十年里一直跟踪这个十几个“螺旋桨”的轨道,它们轨道的变化表明,这可能是它们跟神秘的辐状条纹相互作用有关(沿着环的径向,土星探测器还观察到一些辐状条纹,就好像一个滚动的车轮上的辐条),这种相互作用的方式能够为新生行星与围绕它们的辐状条纹的相互影响提供线索。卡西尼号最后“谢幕演出”过程中拍摄的,最接近的螺旋桨图像能够提供这种相互作用到底是什么的详细信息。

   “我非常荣幸,我有这个资格被选中参与卡西尼项目研究,” 提斯凯尔诺说,“卡西尼号把最好的东西留到最后,我也非常期待看到,它这一次到底会揭示出什么。”

中国医生哈医大教授任晓平将参与实施世界首例“换头术”

[导读] 意大利神经外科专家塞尔吉奥·卡纳维洛日前宣布,人类第一例“换头”手术时间确定在2017年12月,中国医生任晓平将加入这个也许会创造医学奇迹的手术团队。此次手术估计需36小时才能完成,花费约合6880万人民币。
 
    意大利神经外科专家卡纳维洛日前宣布,哈医大教授任晓平(左)将参与实施首例“换头术”。2017年12月进行手术,哈医大教授任晓平参与实施;手术估计需36小时,花费近7000万元。

  意大利神经外科专家塞尔吉奥·卡纳维洛日前宣布,人类第一例“换头”手术时间确定在2017年12月,中国医生任晓平将加入这个也许会创造医学奇迹的手术团队。

  首个完成小鼠换头术

  卡纳维洛的新闻秘书上周透露,卡纳维洛医生认为,两年的时间足够完成手术前各项研究和检查。只有当我“确认有超过99%的成功把握时”,才会实施手术。他还表示,这一手术将同中国哈尔滨医科大学任晓平教授率领的医疗团队合作实施。

  接受“换头”手术的俄罗斯电脑工程师瓦莱里·史比多夫则表示,“关于中国医生加盟手术的事宜已经计划了几个月,这对我来说并不是什么新消息。卡纳维洛和任晓平都是医学移植领域的出色专家,他们一起合作是非常自然的事情”。

  《华尔街日报》此前报道,在头部移植手术这一前沿医学领域,任晓平是全球首个成功完成小鼠头部移植手术的人,术后小鼠们能睁眼、呼吸以及完成一些其他基本动作。

俄罗斯电脑工程师瓦莱里现在仅剩头部能活动。

  患者只剩头部能活动

  30岁的俄罗斯电脑工程师瓦莱里·史比多夫先天患有脊髓性肌肉萎缩症,肌肉停止发展,令他自小全身伤残,骨骼畸形。两年前得知卡纳维洛正在研究头部移植手术后,他主动接触对方,表示为重生甘愿当“小白鼠”。

  头部移植手术非常复杂,估计需36小时才能完成,花费750万英镑(约合6880万人民币)。手术过程包括使用超锋利刀片同时切下两位病人的头部,对需要移植的头部进行冷冻并清洗,随后将其与新的身体使用特殊的聚合物胶结技术结合在一起。事后还要注射大量药物抑制免疫力,以免出现排斥反应。

  俄罗斯神经外科学家弗拉基米尔·尼基金认为,对这名患脊髓性肌肉萎缩症患者来说,两年无疑是个“极限时间”。因为疾病每天都在侵蚀他的全身。毕竟,“患者现在能活动的也仅剩头部了”。从这一点来说,所谓“两年的准备时间”应该根据患者情况灵活掌握。 据新华国际客户端

  任晓平:换头术理论可行 风险大

  手术当时成功可能性很大,术后能否恢复运动功能不确定

  对于换头手术是否可行,任晓平认为,虽然这项手术在理论技术上可以实现,但因缺乏客观的实验室数据,还是存在很大的风险。

  脑部移植到目前为止也只有小鼠实验,即使是他们所做的小鼠实验,也只进行了短期的观察,没有长期的观察,而到现在,也尚未有做猪、猴等更高级动物的实验。“免疫系统的排斥性反应还是要长期观察才能出现的,术后不会很快出现。”任晓平说,“中枢神经的恢复,也很有可能使得病人瘫痪。”

  任晓平称,当前做脑部移植,手术当时成功的可能性非常大,“术后恢复意识及智力应该没问题,但恢复身体感觉和运动功能不确定”。虽然曾成功进行手移植手术,任晓平仍担心,手部移植手术成功解决了排异反应的问题,但作为一个特殊的复合组织,人脑包含中枢神经,现有免疫方案能否控制脑部排异反应,还需要进一步解决。

  在任晓平看来,如果这一手术能够开展,也主要适用于少数极端情况。除了像瓦莱里·史比多夫这样的先天性肌肉萎缩患者之外,严重外伤患者,尤其是高位截瘫患者及部分癌症患者、因其他疾病导致多脏器衰竭的患者也适宜开展,“尤其是部分癌症患者,病情可能在经放化疗等治疗后发生转移,如果未发生脑部转移,换头手术也是挽救生命的一种方法。”

美可携带人造心脏驱动 没有心脏也能回家

[导读] 据科学日报报道,美国密歇根大学弗兰克尔心血管中心允许了一名佩戴有人造心脏病人回家,这在密歇根地区心脏护理方面的首例。

    凤凰科技讯 北京时间1月14日消息 据科学日报报道,美国密歇根大学弗兰克尔心血管中心允许了一名佩戴有人造心脏病人回家,这在密歇根地区心脏护理方面的首例。名为“自由”(Freedom® )的心脏驱动设备重达13磅,旨在保护具有死于两心室心力衰竭晚期风险的病人,正是这个设备使得美国密西根伊普西兰蒂正在等待心脏移植的24岁的斯坦•拉金(Stan Larkin)能够回家与家人共度圣诞。

    他是第一个没有人类心脏而离开密西根医院的病人,多亏了这种可穿戴技术,他成为美国具有行动独立性的特殊心脏病人群体的一员。“斯坦获得的设备是辛卡迪亚临时人工心脏,这个机械泵可以辅助他安然度过等待心脏移植的日子。”美国密西根大学心脏外科医生乔纳森•哈夫特(Jonathan Haft)这样说道。“他仍位于等待心脏移植的名单上,我们希望一旦有合适的器官,就尽快为他安排心脏移植手术。与此同时,他可以佩戴这一人造心脏呆在家里,尽快回复正常的生活,以便在机会来临时能够以最好的状态进行手术。”

    这个人造心脏有两个管子离开身体,这些管子与机器相连,后者将压缩空气传递至心室,使得血液能够在整个身体里流通。在研发可携带的自由驱动之前,美国食品及药物管理局唯一批准的辛卡迪亚临时人工心脏的驱动是“Big Blue”医院驱动,后者重418磅,大小相当于一个洗衣机。

    由于器官短缺,Big Blue支持的全人造心脏病人必须在医院呆上几个月,甚至几年,等待合适的捐赠心脏。自由驱动的功能和Big Blue一样,是传递压缩的空气至心室,只不过它是可携带的。

    这标志着在心脏疾病日益加重却仍没有合适捐赠者心脏的时期取代衰竭心脏的重要里程碑。“我心中仍有很多问题,但我迫不及待想要学习,”12月23日出院的拉金这样说道。“它让我还活着,我迫不及待想要接受心脏移植,过上正常人的生活。”

如何应对心脏衰竭晚期

    根据美国心脏协会,在570万名有心脏衰竭的美国人中,有10%具有重度心力衰竭。当病人即使在休息时也感觉呼吸急促时,他就被诊断为重度心力衰竭。即使在晚期,治疗选项也只限于帮助心脏尽可能的抽动。

    在过去的十多年间,心室辅助装置(VADs)被用于改善等待心脏移植的病人的生命质量和增强存活率。当所有的治疗方案——包括药物治疗、改变生活方式和心脏程序——都失效了,这一设备可作为终极疗法。与过渡性治疗有所不同,终极疗法要求病人余生都使用左心室辅助装置。

    这些设备常用于支持心脏左边,因此被称为左心室辅助装置(LVADs),而其它的设备也可用于支持心脏右边。如果心脏两边都需要支持,那么可能就需要使用全人造心脏。

兄弟的抗心力衰竭之战

    斯坦•拉金和他的弟弟23岁的多米尼克•拉金(Dominique Larkin)同时都在对抗心脏疾病。2007年斯坦在打篮球时昏倒,心脏测试显示他患有右心室发育不全,这种疾病是运动员死亡的主要原因。

    由于这种心脏疾病可能是遗传的,因此医生认为他们家族其它成员也有患心脏疾病的风险。斯坦和他的弟弟被发现患有家族性心肌病,这种病会影响心脏肌肉。

    某些患有心肌病——尤其是那些患有肥厚性心肌病的人——或可以过上健康的生活,只出现少数问题或症状。但其它人或可能有严重的症状和并发症。随着心脏逐渐衰竭,从整个身体抽血并维持正常的电节律变得更加困难。

    外科医生植入了除颤器以帮助调节斯坦的心脏节律。他的心脏疾病加重,变成心原性休克,如果不及时治疗这种医疗紧急事故可能是致命的。11月7日,医生移除了他的衰竭心脏并植入了一个辛卡迪亚临时人工心脏。

    斯坦的人造心脏最初连接的是Big Blue驱动,随着2014年FDA批准了自由驱动,他又转接到由自由驱动,同时等待心脏移植。这一举措标志着两个里程碑:作为第一例转移至使用自由驱动人造心脏的美国密西根病人,以及密西根地区第一个携带自由驱动回家休养的病人。

    多米尼克•拉金的状况也需要一颗人造心脏,他仍位于密西根根大学弗兰克尔心血管中心特护病房,心脏连接着Big Blue。医生正在确定他这种重度心力衰竭的下一步最佳治疗方案。

    人造心脏只是兄弟俩在漫长的心脏移植等待过程中的临时疗法,目前美国有3000多名病人在等待心脏移植。“他说他为我感到骄傲,”与职业和生理治疗师密切合作的斯坦这样说道,他现在能够带着自由驱动自由行走。不能远离电源,吃钠含量低的食物,服用一系列稀释血液的药物是他必须遵守的规则。(编译/严炎刘星)  

美国研发新节能材料 无需耗电即可对建筑物制冷

[导读] 美国斯坦福大学研究人员26日在《自然》杂志上介绍了一种新的节能材料,它可让建筑物在炎炎夏日无需用电即可实现“被动制冷”的效果,实现真正的节能减排。

     美国斯坦福大学研究人员26日在《自然》杂志上介绍了一种新的节能材料,它可让建筑物在炎炎夏日无需用电即可实现“被动制冷”的效果,实现真正的节能减排。新节能材料是一种由7层不同材料组成的超薄薄膜,包括二氧化硅和二氧化铪,总厚度不超过2微米。

     在实验中,研究人员把这种材料置于建筑物屋顶,它能同时把建筑物内部的红外光散射出去,并反射外部太阳光,使屋顶温度比周围空气温度低5摄氏度。红外光来自室温下物体发出的热辐射。

      领导研究小组的斯坦福大学教授范汕洄对新华社记者说,辐射冷却技术已应用多年,在建筑物中很常见。但是他们研发的新型节能材料同时还反射可见光,能把这两种技术结合起来是前所未有。(记者 马丹)

科学家发现鱼类对抗噪音方法

     人类“擅长”制造噪音,喷气式发动机和风钻等噪音对其他物种也造成了困扰。为了应对这些噪音,包括猿类和鲸在内的许多物种都不得不提高音量以确保对方能够听到,科学家把这种现象称为Lombard效应。现在,一项最新研究显示,鱼类也会对噪音作出反应。

  研究者选取黑尾鲦鱼作为观察对象——这是美国东南部地区很常见的淡水鱼类。其声波传输距离很短,并且经常受到船只和道路噪音的影响。只有雄性的黑尾鲦鱼会发出敲门一样的声音,通常用于恐吓其他雄性同类。另一种类似嗥叫的声音则用来求偶。

  科学家将黑尾鲦鱼带回实验室并用水下扩音器制造白噪音,他们发现雄性黑尾鲦鱼会降低发出声音的频率和波动,但会提高每次发声的音量以确保其他同类能够听到。研究者将这一发现发表在《行为生态学》,这是科学家首次在鱼类身上发现Lombard效应,表明鱼类也是人类噪音的受害者。(段融)

鱼吃掉了99%海洋塑料?

     曾有研究估算,世界可能有数百万吨塑料漂浮在全球各大海洋之中,但一项新研究发现,这些塑料中有99%消失不见了。究其原因,一个令人不安的可能性是:鱼吃掉了它们。

  “有可能塑料已经进入了全球海洋食物链,并且我们也是这个食物网的一部分。”研究项目负责人、西澳大利亚大学海洋学家Carlos Duarte说。

  据了解,人类每年制造近3亿吨塑料,大部分塑料最终被填埋或丢弃在垃圾堆中。但美国国家科学院上世纪70年代研究发现,由于河流、洪水、风暴和航海船只倾倒等原因,有0.1%的塑料从陆地进入海洋。其中一些被困于北极冰中,还有一些搁浅在沙滩上,但绝大部分仍漂浮在大海上,如泛太平洋垃圾带。

  为了计算有多少垃圾正身处这些垃圾带中,全球海洋研究项目的4艘考察船于2010~2011年,在所有5个主要海洋垃圾带中寻找塑料。在牵引细网航行数月之后,研究人员预测,海洋塑料量最多仅有4万吨。相关研究报告近日发表于美国《国家科学院院刊》网站上。“我们无法解释另外99%的塑料去了哪里。”Duarte说。

  研究人员怀疑,大部分消失的塑料是被海洋生物吃掉了。当塑料漂浮到公海中后,波浪和太阳辐射将它们分解成越来越小的颗粒,一直小到开始像鱼食。当这些塑料被吃下后,黏附在塑料表面的DDT、多氯联苯和汞等有机物质将进入鱼类体内,并通过食物链走向金枪鱼和箭鱼等上市鱼种中。但也有科学家表示,鱼吃下的毒物“可能重回水中,但我们不清楚”。

西红柿基因组测序终于圆满完成

      中美英等14个国家90所研究机构的300多名研究人员经过近10年的努力,完成了对人们常用食物西红柿的基因组测序工作。这项研究不仅为培育高产、美味、抗病虫害甚至能适应环境变化的西红柿打下基础,也有助于科学家增加对植物生长机制的了解。该研究成果成为5月31日出版的《自然》杂志的封面文章。

    西红柿是人们最常用的食物之一,2010年全球西红柿产量超过1.45亿吨,意大利人平均每年要吃16.5千克西红柿,美国人吃得更多。但西红柿基因测序也是一项具有挑战性的工作。植物基因组通常比动物基因组更大和更加复杂,测序难度也更高。西红柿有12条染色体,约3.5万个基因。西红柿基因组有约900兆碱基,比人类的四分之一稍多。

    跨国研究团队组成的“西红柿基因组联盟”从2003年开始进行西红柿基因测序,但一直到2008年仍进展缓慢,研究人员转而采用新的全基因组鸟枪测序法,这种方法把大的DNA片断拆开测序,然后再进行组装。研究人员对人工培育西红柿“亨氏1760”进行了精确测序,对它的近亲野生的“醋栗西红柿”的基因进行了大致测序,并对比了两者的基因序列,同时也把它们的基因同去年完成测序的土豆基因进行了对比。

    研究发现,“亨氏1760”和“醋栗西红柿”的基因之间只有0.6%的差别,而它们和土豆之间有8%的基因差别。研究还发现西红柿进化中经过两次基因组突然扩大现象:一次出现在1.3亿年前,基因变化在葡萄中留下痕迹;一次发生在6000万年前,这次基因变化给西红柿的进化带来了显著影响,变化产生的基因在西红柿基因组中蛰伏几千万年后开始发挥作用。

    《自然》杂志认为,西红柿基因组测序有三个重要意义。首先,它能帮助科学家了解西红柿甚至自然界的植物之间为什么会有巨大差别。西红柿属于茄科植物,而茄科植物属种广泛,从土豆到青椒有1000多种,比较它们的基因序列有助科学家了解它们的进化过程。第二,西红柿基因测序可以让科学家了解更多的植物生长基本机制,比如是什么基因使西红柿变红,人们喜欢红西红柿,但自然界植物中甚至在西红柿中红色并不常见。第三,了解西红柿基因组可以帮助科学家改进西红柿质量。比如不用转基因技术就改变西红柿的味道、储藏时间、抗病虫害性能等。(王心见)中国环境报

新型低成本“电毡”可利用体热给iPod充电

     据美国物理学家组织网近日报道,美国维克森林大学和其他研究机构最近共同研究出一种新型有机热电纤维,能大大提高材料的输出功率并降低成本。相关论文发表在最近的《纳米快报》上。

    几十年前人们就已开始研究热电材料并已实现了商业化应用,但传统方法是用碲化铋等无机材料制造。一些新研究显示,有机材料可能有成本更低、制造容易、灵活柔韧等更多优点。不过迄今为止,有机材料的性能仍不如无机材料,比如用柔性热电材料做成腕表,通过体温和外界环境温差来充电,如果用现在的碳纳米管/聚合物复合材料制造的话,那需要500平方厘米的纤维,比普通的腕表要大50倍。

    研究人员解释说,高性能热电纤维的关键问题是在材料两面产生大的温差,由于碳纳米管/聚合物复合材料非常薄,其表面垂直温差就很有限;而新材料称为“电毡”,是一种多层碳纳米管/聚合物复合材料,电输出功率比以前大大提高。

    “电毡”由几百层导热和绝热薄膜交替构成,导热材料中含有碳纳米管,绝热材料由聚合物构成,每层的厚度仅25微米到40微米。层与层之间平行排列,使温差呈梯度渐变。由于塞贝克效应,电子或空穴会从热的一边迁移到冷的一边,这就将温差转化为电压。总电压等于每层电压的和,所以增加层数就相当于串联电源增加电压,而层数只受到热源所能产生的总体温差的限制。在新研究中,热源的温度限制在117℃,达到或超过这一温度,聚合物会变形。

    他们演示了一块由72层纤维制作的“电毡”,在温差为50℃时,能产生137纳瓦的最大功率。理论上功率还能再提高,如用300层纤维产生100℃温差,输出功率将达到5毫瓦。

    “目前做腕表材料的话,用这种纤维只要10平方厘米就够了。而且薄膜层数越多(它们可以极薄),小面积内的功率就越高。我们现在的材料还没达到最优化,还能造出功率更高的材料。”维克森林大学纳米技术中心大卫·卡洛说,如果大规模地生产多层碳纳米管/聚合物复合材料,用它们发电成本可以降到每瓦1美元,而且很容易生产。相比之下,碲化铋等热电材料的发电成本为每瓦7美元。

    大规模生产这种材料就能以较低成本大量发电,在收集能量方面比其他方法更有成本竞争力。“这种材料的用途很广,且电流输出功率很容易调节。如果需要更高功率,只需简单地换个更大面积的。”卡洛说。

    研究人员预测,除了制作腕表,低成本有机热电纤维还可用于服装,比如做冬天穿的夹克的内衬,利用体热和户外温差给iPod等电子产品充电。此外,这种“电毡”还能用于回收利用汽车废热、提高燃料里程、作为座椅内衬辅助给交通工具充电、安装在屋顶板下面帮助减少房屋耗电量等。(常丽君)

量子点太阳能电池外量子效率首超100%

 据美国物理学家组织网12月16日(北京时间)报道,美国国家可再生能源实验室(NREL)研制出一种新式的量子点太阳能电池,当其被太阳能光谱的高能区域发出的光子激活时,会产生外量子效率最高达114%的感光电流。发表于12月16日出版的《科学》杂志上的这一最新研究为科学家们研制出第三代太阳能电池奠定了基础。

    当光子入射到太阳能电池表面时,部分光子会激发光敏材料产生电子空穴对,形成感光电流,此时产生的电子数与入射光子数之比称为感光电流的外量子效率。迄今为止,还没有任何一种太阳能电池在太阳能光谱内光波的照射下,显示出超过100%的外量子效率。

    现在,NREL团队首次在量子点太阳能电池上实现了这一点。他们在一个叠层量子点太阳能电池上获得了114%的外量子效率。该电池由具有减反光涂层的玻璃(其包含有一薄层透明的导体)、一层纳米结构的氧化锌、一层经过处理的硒化铅量子点以及薄薄一层用作电极的金组成。

    太阳能光子产生超过100%外量子效率基于载子倍增(MEG)过程,借助这一过程,单个被吸收的高能光子能激发多个电子空穴对。NREL团队首次在量子点太阳能电池的感光电流内展示了MEG,科学家们可借此改善太阳能电池的转化效率。研究结果显示,在模拟太阳光的照射下,新量子点太阳能电池的光电转化效率高于4.5%。目前,这种太阳能电池还没有达到最优化,因此,其能源转化效率相对来说偏低。

    与传统的太阳能电池相比,量子点太阳能电池内的MEG能将电池的理论热力能转化效率提高35%;量子点太阳能电池也可使用廉价且产量高的卷对卷制程制造而成;其另外一个优势是每单位面积的制造成本很低,科学家们将其称为第三代(下一代)太阳能电池。

    总编辑圈点

    所谓第一代太阳能电池是指目前最常见的晶体硅电池,第二代是薄膜电池;第三代,则应该是具有更高转化效率的新型电池的总称。而让单个高能光子激发多个电子空穴对正是提高转化效率的途径之一。不过现有技术并不能有效分离、收集大量的电子空穴对,这也就是新电池转化效率偏低的主要原因。虽然现在看起来,让这么多自由电子白白溜走显得过于奢侈,但如此高的外量子效率还是让我们备受鼓舞——一旦突破电子空穴对收集的技术瓶颈,太阳能电池的发展将会翻开全新一页!

美国开发出砷化铟二维半导体量子膜

     据美国物理学家组织网11月14日报道,美国加利福尼亚大学伯克利分校研究人员开发出一种全新的二维半导体,这是一种由砷化铟制造的“量子膜”,具有带状结构,只需简单地减小尺寸就能从块状三维材料转变为二维材料。相关论文发表在近期出版的《纳米快报》上。

    当半导体材料的尺寸小到纳米级,它们在电学和光学方面的性质就会发生极大改变,产生量子限制效应,由此人们可以制造出被称为量子膜的二维晶体管。量子膜约为10纳米或更少,其运行基本上被限制在一个二维空间中。由于这种独特的性质,它们能在高度专业化的量子光学与电子应用领域大展所长。

    目前二维半导体方面的研究大部分要用到石墨烯类的材料。加州大学伯克利分校的阿里·杰维带领的研究小组通过另一种途径制造出了砷化铟“量子膜”。而且新量子膜可以作为一种无需衬底的独立材料,能和各种衬底结合,而以往其他同类材料只能用于一种衬底。

    他们先在锑化镓(GaSb)和锑化铝镓(AlGaSb)衬底上生长出了砷化铟,将它置于顶层并设计成任何想要的样子,然后将底层腐蚀掉,把剩下的砷化铟层移到任何需要的衬底上,制成了最终产品。

    为了测试产品的效果,研究小组把不同厚度(5纳米到50纳米)的砷化铟量子膜转印到透明衬底上,对其进行光吸收实验,他们能直接观察到量子化的亚带,并绘制出了每个亚带的光学性质。在测试它们的电学性质过程中,研究小组还观察到明显的量子限制效应,电子移动与传统的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)截然不同。

    研究人员表示,该研究不仅给半导体家族增添了一种新材料,也有助于人们理解结构限制性材料的原理,带来更多的特殊材料,在二维物理基础设备研究方面迈出了重要一步。(常丽君)

美国科学家研制出新型电池采用三维纳米电极

      电池是现代电子工具的重要部件,也是一大短板。它的主要缺陷是:不能像超级电容器那样快速充电,性能会随时间而降低。据美国物理学家组织网10月9日报道,现在,美国科学家研制出了拥有三维纳米结构电极的电池,充放电可在几秒内完成,而且快速充放电不会影响电池的能量密度。最新成果有望彻底改变电池的设计方法。

    伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校材料科学和工程教授保尔·保恩同硕士生于新迪(音译)、博士后研究员张惠刚(音译)一起,将一个薄膜包裹成三维纳米结构的电极,让其能获得较大的有效容积和电流。演示结果表明,拥有这种电极的电池能在几秒钟内快速地充电和放电,效率是块状电极电池的100倍。这意味着,当将其用于电动汽车内时,其充电所需的时间可能和在加油站加油一样;更重要的是,快速充放电对电池的能量密度(在一定空间或质量物质中储存能量的大小,要解决的是电动车充一次电能跑多远的问题)毫无影响。

    保恩表示:“这种能快速充放电的新电池除了能在汽车领域大展拳脚外,也可以用于医药设备、激光器内和军事领域。”

    科学家们首先将细小的圆球涂在一个表面上,随后将圆球紧紧包裹成一个网格状的结构,圆球之间的空隙和圆球四周都填满金属;接着将圆球熔化,得到一个类似海绵的三维支架;然后用电解法对三维支架的表面进行蚀刻,从而让海绵结构内的微孔增大,制造出了一个开放的框架结构,最后再将活性物质薄膜涂在该框架上。

    研究人员指出:“结果,我们得到了一个性能优异的电极结构,其相互之间的联系很少,因此锂离子能快速移动;活性物质薄膜也使锂离子能很快扩散;同时,金属材料让其导电性更好。”

    保恩说:“最新研究与任何特定的电池类型无关,而是一种新的电池设计范式——用三维结构来增强电池的性能。”

    这项研究获得了美国陆军研究实验室和美国能源部的支持。

    今年年初,张惠刚等人在《自然·纳米技术》杂志上指出,他们研发出了一种让电池快速充电的新方法,适用于锂离子和镍基电池。该方法着眼于减少离子到达电极间距离。结果显示,以镍氢电池为例,电极能在2.7秒内充满75%的电容量;20秒内充到90%,这一速度经过100次充放电循环后仍维持稳定。一个全尺寸的锂电池的电极能在1分钟充到75%;2分钟内充到90%。(刘霞)


 
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