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指甲大小的记忆玻璃 可逃避核爆炸的摧毁

发布时间:2019-06-20 15:01 来源:未知 编辑:admin

  记忆玻璃、虾丝、自我修复的高分子材料、气凝胶、方钴矿、人工骨髓、纳米电源、木材、新型甲骨,你知道这些新材料吗?他们可能在未来的若干年改变我们的生活。

  比如,人工骨髓可以为白血病的治疗提供新希望;指甲盖大小的记忆玻璃能存一座图书馆信息;替代塑料又环保的虾丝

  早在1996年,美国哈佛大学的物理学家就设想,将信息写入一种耐久的、类似玻璃的透明材料。玻璃能抵抗高温的炙烤、化学物质的腐蚀和机械力的损伤,甚至还有防弹功能。

  科学家为实现这一设想着实下了一番功夫,倒不是玻璃难造,而是激光束难以准确控制,稍不注意,刻出的微小图案就有差错。好在这个问题在刚过去的2014年得到了解决。日本一家公司一听说这个成果,就迫不及待地想抓住机遇,要将这一技术用于熔融石英(一种类似玻璃的材料),开发新型信息存储产品,计划2015年推向市场。

  英国物理学家卡赞斯基也对这个技术感兴趣。他考虑能否在石英上刻出同时带有5种信息的刻痕,也就是不仅反映三维空间(长、宽、深)的变化,还记录入射激光脉冲的强度和偏振性。这样信息储存密度比日本这家公司的高8倍,可以在指甲大小的石英材料上保存万亿字节的信息,即可以存500万本每本10万字的书,差不多可以将一座大型图书馆塞进2个“指甲”。而且,卡赞斯基依据测试结果推测,这种材料所储存的信息可以耐1000℃高温,可以逃过核爆炸的损毁,可以安然保存100亿年,“这个寿命差不多与宇宙同在,与日月同辉”卡赞斯基骄傲地说。

  记忆玻璃技术投入实际应用后,警方可以在1个“指甲”内追踪案犯若干年前的行踪。此外,气象台可以在“指甲”内追踪地球上的风云变幻,未来的人类乃至外星人也能借助这种技术了解我们这几代人的生活状态和文明成果。

  想象一下:汽车能自我修复刮痕,不需再次喷漆,不用织补沙发座椅;大桥不会老旧,桥墩和桥梁能自我翻新;飞机的机翼和机身能不断自我更新,永不磨损和锈蚀,乘坐永远舒适、安全。

  2001年,美国工程师斯科特怀特研制了一种类似塑料的材料。它由很多微型胶囊构成,一旦某处出现裂痕或空洞,里面的微型胶囊就会破裂,向破损处释放具有修复作用的试剂,使裂痕得到修复,材料再次聚合。怀特将这项技术产业化,做成涂层,用来保护各种设备,从桥梁到直升机旋翼,使其免遭恶劣环境的侵害。

  目前绝大多数自我修复高分子材料只能修复很小的裂纹或凹痕,宽度大概100微米,相当于一根头发丝的直径。2014年初,怀特的研究团队宣布发明了一种可修复3厘米宽裂痕的材料。目前这种材料实现大规模生产还有很多路要走。不过,只要科学家努把力,再加上些研究经费,10年内有可能造出靠前种实用的修复大尺寸裂纹的自我修复材料。

  骨髓既是重要的造血器官,又是重要的免疫器官。如此重要的器官,一旦发生病变,问题就很严重。白血病就是一类造血干细胞异常的恶性疾病。

  德国图宾根大学的科学家考虑,可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢?这一想法的关键是模仿造血干细胞生存的复杂微环境,涉及特殊材料和特殊结构。骨髓中造血区域的骨头高度疏松,类似海绵,这种环境不仅调节造血干细胞和骨髓细胞,而且能实现多种类型细胞之间信号物质的高效交换。因此,研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬环境,又要模仿其他细胞(造血干细胞之外的)组成的软环境。

  研究人员在乙二醇液体中加入很细的食盐,让乙二醇聚合成半软半硬的状态,再放入水中使食盐溶解,留下食盐颗粒原来所占的空间,模仿出多孔如海绵的松质骨结构。为了让这个人工松质骨更容易吸附细胞,他们在聚乙二醇上连接特殊的氨基酸片段,模拟细胞与松质骨间的界面。较后,将造血干细胞和骨髓干细胞混合,一起种入人工松质骨,组装成人工骨髓。骨髓干细胞及其后代能分泌多种化学物质,构成造血干细胞需要的化学微环境。经过10天培养,一切如愿,造血干细胞数量和比例大大提升,证明人工骨髓顺利研制成功。

  这种人工骨髓不仅为白血病的治疗提供新思路、新希望,也为揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技术基础。

  摩擦起电与静电是日常生活中非常普遍的现象,但能量很微弱,也很难收集和利用,成为人们忽略的一种能源形式。不过现在不同了,普通人随手放电很可能成为实现,而且电的来源就是摩擦。

  美国佐治亚理工学院的华裔科学家王中林教授2006年发现,氧化锌纳米棒受力弯曲时会产生微弱的电压,于是他想到用纳米棒做成纳米电源。

  几经实验,有人想到摩擦起电,将摩擦与纳米电源联系起来:将两块材料的摩擦面做成齐整密布、具有压电效应的纳米结构。这样两块材料来回摩擦,会产生群体压电效应,造成群体纳米电源叠加。说起来容易做起来难,横向摩擦很容易损坏纳米结构、磨平接触面。他们的解决方案是,不让两块材料做水平摩擦,而做上下移动。也就是将两块材料的纳米结构插入对方的缝隙,造成摩擦起电,就像两只手的手指不断交叉、分开,来回摩擦。这样手就是柔性薄膜,手指就是纳米电极,在它们间实现摩擦起电,从而创造了电压达18伏的摩擦纳米电源系统。

  这样的摩擦式纳米电源已经可以为体积很小的微纳电子器件供电,可使这样的器件结构变简单,生产工艺简化,制造成本下降,使用寿命延长,利于大规模工业化生产与实际应用。

  把针叶林木材一端做成锯齿形结构,互相插接,再用胶水加固,既轻巧又坚固,这种材料在建筑领域掀起了应用高潮。澳大利亚墨尔本维多利亚港有一座10层高的建筑叫福泰大厦,2012年建成,就是用木材建成的公寓楼,也是世界上较高的木质结构建筑。不过,这个纪录很快就要被打破。坐落在挪威卑尔根市的一栋高49米的14层居民楼,也是木材建的,预计2015年下半年就会完工。

  美国一家著名的建筑公司研究认为,用木头为主要材料建造一幢125米高的摩天大楼,在技术上完全可行,木头之外只要辅以高强度的水泥连接即可。经测算,这种建筑的能耗和温室气体排放量(碳足迹)只是钢筋混凝土建筑的25%~40%。

  英国剑桥大学的植物生物化学家鲍尔杜普利考虑,可以充分利用植物体内的抗压结构。

  杜普利和建筑师以及高分子专家组成的团队已获得了一笔资助,开展细胞壁分子结构的研究。他们用不同树种的木材制成样品,放入磁共振仪内,测定样品内的化学分子结构。他们的短期目标是找到几种高分子物质,希望它们注入木材后能起到加固作用;长期目标是希望破译细胞壁分子结构的信息,从而进一步从遗传角度设计出强度更高、可用作建造“摩天木楼”的树木新品种。

  除了建筑,木材在其他领域也大有用武之地。木材及其衍生品可用于生产生物燃料,也有人设想将其做成柔软又便宜的纸制品,替代硅制造电子产品或许未来的电脑将拥有纸做的芯片。

  文字发明以后,人类将信息记录在动物的骨头上,形成甲骨文。有趣的是,龟甲和兽骨的化学成分和分子结构与人体骨骼相同,都是羟基磷灰石。近20年来全世界有大量科学家投入研究,人工合成、修饰、加工羟基磷灰石,期望能解除伤者和患者的痛苦。由于天然骨的羟基磷灰石有特殊的纳米结构,科学家需要合成纳米级羟基磷灰石。在此基础上,才能仿生制备有活性的人工骨,帮助骨骼迅速恢复健康。

  中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家朱英杰教授,在用水热法探索廉价、快速、大量合成羟基磷灰石的研究中,偶然发现得到的纳米羟基磷灰石又细又长。朱英杰教授就产生一个大胆的设想,可否合成大量又长又细(保持纳米级直径)的纳米线,像纸浆纤维那样做成大片纸张呢?这样医生可以剪取任意大小、任意形状的纸片,任意叠加厚度,方便轻松地修补奇形怪状的骨缺损,也许可以就此解决羟基磷灰石临床应用的较后一道难题。

  于是朱英杰教授调整配方,辅以超声波控制合成过程,终于合成长纳米线,制造出羟基磷灰石纸。这种纸又白又软,可折叠,不含任何有机成分,只是石头本质(羟基磷灰石嘛),耐腐蚀,零污染。尤为奇特的是它不怕火,1000℃以上的火焰烧烤,上面书写的文字也不会消失这不是人类书写的较好载体吗!

  朱英杰教授希望自己不经意间发明的新书写载体,从此保全人类文明免于火灾,至少可用于需要较久保存的档案。不过,这种羟基磷灰石纸与人体细胞的“关系”不太好,细胞不太愿意待在纸上繁衍生息。然而,他的成果已经令全世界为之轰动,在发明了与甲骨成分和结构相同的新型书写载体的成就面前,小小沮丧又何妨?

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