《科学美国人》评2016年十大创新技术

　　改变世界”这个词已经被用滥了，但对晶体管、万维网和手机这类发明，要形容其撼动世界历史的影响力，还有别的合适词语吗？的确有一些创新改变了历史的方向。本文介绍的碳呼吸电池、手术机器人、量子卫星和另外七种创新能否产生相似的效果呢？现在下结论还为时尚早。大多数创新方案最终都失败了，最伟大的创意往往也伴随着最高的风险。但一个创意从引人发笑到变成大势所趋，往往用不了多长时间。而其中有一些，显然会带来变革。

　　——《科学美国人》编辑部

　　1、碳呼吸电池

　　电化学电池能够吸收大气中的碳，将其转化为电能。

　　单单削减温室气体排放量已经不足以阻止全球变暖。现在，我们必须将大气中已经存在的二氧化碳清除一部分。好消息是，做这件事的方法有很多；坏消息是，这些方法基本上都需要消耗大量能源。

　　理想的碳封存技术应该可以产生电能，而不是消耗能量。在2016年7月发表于《科学进展》（Science Advances）上的一篇论文中，美国康奈尔大学的研究人员瓦迪·阿尔· 萨达特（Wajdi Al Sadat）和林登·阿彻（Lynden Archer）描述了一种能够捕捉二氧化碳的电化学电池的设计方案。

　　电池的阴极材料采用的是铝，这种金属成本低、储量大、易于加工。阳极由多孔碳构成，研究人员向其中注入氧气和二氧化碳的混合物。铝、氧气和二氧化碳在电池内部发生反应，产生电能并生成草酸铝。萨达特和阿彻表示，在一个1.4伏电池的生命周期中，电池所吸收的碳是制造电池时所释放的碳的2.5倍。阿彻解释说：“即使你把二氧化碳的主要来源都考虑进来，我们的电池的碳排放量也是负的。”

　　而碳吸收过程的化学副产品──草酸铝也很有价值。草酸盐可作为清洁剂和漂白剂，全球每年需求量大约为23万吨。电化学电池每多产出一吨草酸盐，会排放二氧化碳的草酸盐工厂就可以少生产一吨。如果把这些减排因素考虑进去，用来制造电池的每千克铝可以吸收3.52千克二氧化碳。

　　阿彻表示，要想把这个设计转化为实用的技术，他和同事还有很长的路要走。首先，他们需要证明该技术的成本效益足够高，并且规模可以扩展。阿彻预计，如果他们能成功实现这样的转化，将来这种电池会配备在发电站和汽车排气管上。“这样你不只是减少了二氧化碳，而且在利用二氧化碳。”

　　2、全新的抗生素

　　设计新型化合物的方法可用来对抗耐药菌。

　　很难想象一个没有抗生素的世界是什么样的，不过因为大规模地滥用抗生素，我们正走近这样的世界。美国疾病控制与预防中心（Centers for Disease Control and Prevention）表示，仅在美国，每年就有超过23000人因感染抗生素无法对付的病菌而死亡。英国政府资助的一项研究估计，到2050年，全世界每年会有1000万人死于耐药菌。科学家正苦苦寻找能杀死超级病菌的新药，例如大环内酯类抗生素（macrolide）。大环内酯是抗生素的一大门类，可以治疗一般的细菌感染，包括肺炎、链球菌性咽炎、耳部和皮肤感染，以及性传播疾病。

　　研究人员已经尝试过修改已有抗生素的化学性质，让它们更有效地治疗耐药菌株，不过到目前为止没有取得什么进展。大环内酯的化学结构很难修改，而且大环内酯的原材料是在装着工业细菌的大型发酵罐里制造出来的——这个过程很难精确控制。“化学家们在过去的几十年里一直束手无策，”哈佛大学化学和化学生物学教授安德鲁·迈尔斯（Andrew Myers）表示。

　　不过，迈尔斯和他的团队找到了从头合成大环内酯的方法。为了合成这种化合物，研究人员把大环内酯的结构分解成8个基本模块，然后以新的形式把它们组合起来，利用不同的组合方式调节其化学性质。迈尔斯团队在2016年5月发表于《自然》杂志的论文中表示，他们已经合成了超过300种新型化合物。研究人员使用了14种致病细菌进行实验，发现大多数化合物可以抑制细菌，而且有很多可以杀死耐药菌株。

　　此后，研究人员又制造了300种新型化合物。迈尔斯成立了一家制药公司Macrolide Pharmaceuticals，把这些新药推向市场。研究团队已经开始研究另外两类抗生素：林可酰胺类抗生素（lincosamide）和氨基糖苷类抗生素（aminoglycoside）。在他们发明的化合物中，只有少部分会变成实用的抗生素，而且即使是这些抗生素也需要很长时间才能出现在药店中。但是迈尔斯有信心，他的研究（和类似的研究）会帮助我们击败超级细菌。他说：“我非常乐观，随着我们继续进行研究，肯定能获得更好的结果。”

　　3、量子卫星

　　量子密钥的天基传输可能会让“不可攻破”的互联网变为现实。

　　要建立绝对安全的加密方法，并不需要比铅笔和纸更高级的技术：只要选择一串随机的字符和数字，用作加密信息的密钥。把这个密钥写在一张纸上，用一次之后把纸烧掉就行。关键是要确保没有人能拦截或篡改密钥。而在互联网上，窃取或篡改密钥的事情一直没断过。量子密钥分发（Quantum-key distribution，QKD）可以解决这个问题，该方法会从纠缠光子中生成一个一次性密钥。纠缠光子即量子状态相关联的光子，如果其中一个光子受到扰动，另一个光子也会立即受到影响，无论它们之间的距离有多远。量子密钥分发的问题是，没人知道如何长距离传输纠缠光子。然而今年8月，中国科学院成功将世界第一颗量子卫星送入轨道，为解决这个问题迈进了一大步。

　　中国科学院的项目名为量子科学实验卫星（QUESS），是与奥地利科学院合作的项目。该项目利用卫星向中国境内相距1200千米的两个观测站传输量子密钥，这一距离是目前最远传输纪录的8倍。原纪录是由《科学美国人》顾问、奥地利物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）的团队于2012年创造的。天基平台（space-based platform）是长距离传输的唯一选择，蔡林格说：“地面上找不到能看到1000千米之外的地方。”现在，蔡林格正与他从前的学生、QUESS项目首席科学家潘建伟合作。

　　如果中国研究人员创造了量子密钥传输距离的新纪录，那么未来的卫星就能提供一个轨道平台，建立起不可攻破的“量子互联网”，物理定律可以确保加密数据包的绝对安全。蔡林格解释说：“我们希望能建立洲际量子通信，这不再只是个科幻概念，而是未来的计算机彼此沟通的一般方式。”