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未来黑科技通史


未来黑科技通史

作  者:【美】莱斯·约翰逊 【美】约瑟夫·米尼

译  者:新宇智慧

出 版 社:中国科学技术出版社

出版时间:2022年06月

定  价:59.80

I S B N :9787504694584

所属分类: 大众新知(科普)  >  数理化    

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TOP内容简介

洞悉智造产业机遇与挑战

把握现代科技变革与人类文明演进趋势

 

脑机接口能否让飞行员仅凭大脑操控飞机,为士兵配备力量和速度是人体四肢5~10倍的机械骨骼?

只要携带3D打印机和特殊材料,就能在月球或火星“复制”出适应独特环境的生命支持系统?

以石墨烯作为骨架,添加生物分子,就能形成类器官,甚至催生出赛博世界中的改造人?

智能服装不仅能根据指令控制温度、变换颜色,还能嵌入传感器,随时反馈全身生理诊断信息?

 

畅想一下在不久的将来,我们生活中的所有物品都将是多功能的,《星际迷航》《银翼杀手》《头号玩家》等科幻电影中的未来世界甚至也会成为现实,而这一切都要归功于性能特殊、可变形、可编程的新型材料——石墨烯。

作为当今科学界和产业界当之无愧的“明星新材料”,石墨烯是一种单片厚度只有一个原子大小的二维碳材料,它拥有无与伦比的特性和巨大的应用价值,在现代信息产业、航空航天、国防军工、生物医学、能源与环境等领域都将带来颠覆性的技术变革,几乎覆盖人类的一切活动领域。

在《未来黑科技通史》这本跨越科学、经济、历史的作品中,NASA物理学家莱斯?约翰逊和纳米技术领域科学家约瑟夫?米尼将带你俯瞰一整部新材料科学发展史,你可以把握近几十年来令人兴奋的创新浪潮,前瞻式了解石墨烯在人工智能、星际探索、基因工程、脑机接口等前沿领域正在创造的奇迹,深刻洞察现代文明即将面临的崭新纪元。

 

TOP作者简介

[美]莱斯·约翰逊 LES JOHNSON

 

三度荣获美国国家航空航天局(NASA)杰出成就奖

石墨烯太阳帆太空推进关键技术专利权人

《美国国家地理》专访“特色星际探索家”

“Discovery探索频道”系列节目“不可能的物理”特邀嘉宾

美国国家太空协会、世界未来学会及门萨俱乐部成员

 

莱斯·约翰逊是NASA众多太空和星际推进项目管理者,也是NASA太阳帆深空任务的首席研究员。他曾于2018年完成“近地小行星侦察兵”任务;他负责的“太阳巡洋舰”任务将使用巨型石墨烯太阳帆推动航天器驶向太阳,计划于2025年完成。

在社会公众眼中,莱斯是“比摇滚明星还酷的物理学家”;他不仅是众多科普读物和科幻小说的作者,还曾担任科幻电影《欧罗巴报告》《迷失太空》的技术顾问。莱斯是各大国际公共论坛的常客,经常接受CNN、NPR、福克斯新闻等媒体的专题访谈。

 

[美]约瑟夫·米尼 JOSEPH E. MEANY

 

美国田纳西河谷星际工作室组委会成员

纳米技术领域硬核科学家

 

约瑟夫·米尼博士的研究兴趣集中于导电碳基分子在纳米电路中的开发和制造,这是一种快速发展的纳米技术领域。他对纳米材料的热情建立在将科学发现转化为商业机会的基础上。他的作品曾发表于《自然—化学》《化学与工程新闻》等国际化学研究期刊。

 

TOP目录

第一部分 发现与争议

 

第1章   碳,随处可寻的碳!

德谟克利特的苹果与原子论

自然界的任何分子,人类都能合成

碳原子的魔术:将苯变成石墨烯

空心“球”富勒烯:藏在眼皮底下的化学物质

剥下单一的碳原子层

 

第2章   碳基纳米材料的认知之旅

“碳科学女王”的故事

碳研究的爆炸式发展

为什么碳纤维被商业化,碳纳米管却无法上位?

石墨与更小、更高效的电路:纳米晶体管技术小史

第一个富勒烯模型——成功冲击诺贝尔奖的模型

 

第3章   “玩乐时间”里的意外产物

“透明胶带万岁!”

谁才是石墨烯的最早发现者?

 

 

第二部分 融入我们的生活

 

第4章   正在崛起的神奇材料

从铝的往事说起

在家都能制造的万能材料

如何解决存储的难题?

细胞之敌:有毒的新材料

改造人的未来不是梦

 

第5章   即将成为快消品?

其他材料的失败之处,正是石墨烯的成功之所 136

从轮胎到袜子,石墨烯将无处不在

 

第6章 石墨烯超级电荷

比银还完美的超导体

化石燃料的替代品

一个褶皱,把石墨烯变成半导体

 

 

第三部分 新材料的功与过

 

第7章 颠覆性创新简史

激光、微处理器和互联网

高温超导体的滑铁卢

冷核聚变:20世纪最后10年的热潮

塑料改变世界,石墨烯也将如此

 

第8章 从实验室到市场,石墨烯的应用之路为何如此艰辛?

来自经济学定律的狙击

旧材料有效,而且我们用过

这是一场专利之战

 

 

第四部分 未来黑科技已来?

 

第9章 太空中的石墨烯

与航天仪器合为一体的未来宇宙飞船

想在有生之年抵达恒星,你一定需要石墨烯太阳帆

太空电梯与太空级3D打印机

 

第8章 从实验室到市场,石墨烯的应用之路为何如此艰辛?

来自经济学定律的狙击

旧材料有效,而且我们用过

这是一场专利之战

 

第10章 石墨烯生控体系统

我们都是赛博格

能够检测DNA的传感器,将让早期癌症无所遁形

脑机接口:从操控机械臂,到制造性高潮

 

第11章 决战元素周期表

可编程材料让纳米机器走进人体

天然与人造的“烯”家族

亲历一次人类文化的终结

 

后 记

致 谢

附 录

 

TOP书摘

第10章 石墨烯生控体系统(节选)

 

能够检测DNA 的传感器,将让早期癌症无所遁形

 

现在回想一下我在前面对如何利用DNA 重组制造人工胰岛素所做的简要介绍。这个过程可不是随意而为的。美国大约有300 万人患1 型糖尿病,而在全球范围内,这个数字可能增至7 000 万人。生产足量的胰岛素来维持所有患者的生命和健康是一项重要使命,只有让胰岛素达到工业级产量才能满足这种需要。不难想象,我们可以借助莱波雷的发现,在石墨烯生产中应用胰岛素的制造方法:先利用DNA 重组技术找出制丝过程中加入石墨烯的最佳途径,再改进制造工艺, 然后将这种制造工艺转化为大规模生产。

与此前介绍的种种方法相比(如化学气相沉积法、工业强酸氧化法, 或者雇用数千人用胶带把石墨烯从铅笔芯中分离出来),现在这种方法听起来自然要简单得多。本书前面探讨过的许多应用,特别是第5 章中谈及的应用,也许有一天能够通过工业化的蜘蛛纺丝技术实现。现在让我们将注意力从蜘蛛丝转向其他纤维,也就是服装中使用的纤维。

一百年前的人们不会想到,今天的科学家们已开始与时尚行业联手合作,共同开发嵌入石墨烯强化电子产品的服装,这种服装可以根据穿着者的呼吸模式或其他生理变化产生发光反应。具体而言,这些自供电的传感器与低功率的LED 灯相连,可以依据呼吸模式的改变, 控制灯泡颜色的变化。如果你在休息,且呼吸不太深,那么灯泡可能会显示蓝色;当你步行并开始中等强度的锻炼时,灯泡可能会发出绿色的光;在你早上工作的时候,灯泡则可能会开始闪烁黄色或橙色的光;总之,灯光的颜色任你设定。如果通过低功率的蓝牙将这套设备与下一代智能手机、智能手表或其他健康监测设备相连接,你就可以获取全身生理诊断信息。

对于那些只想拥有最新健康监测设备的电子迷来说,这只不过是一件新奇有趣的事情,但对于医学界而言,能够为那些面临各种疾病风险的患者评估身体状况,则是具有重大意义的事情。具体来说,患有心脏疾病的老年患者以及可能因慢性阻塞性肺病(COPD)、肺结核或其他呼吸道疾病而危及呼吸的患者,可以通过一个实时智能连接系统与云端相连,对步速进行自我监控。当他们达到自己的体能极限时, 这个设备会发出报警提示。

更常见的场景可能是(至少对我们当中的某些人来说),我们会听到自己的个性化人工智能运动教练对我们说:“加快步伐!照你现在这速度,今天的目标就别想实现了!加油!”

不难想象,不同类型的传感器可能会嵌入到我们的衣服当中,其作用可不限于测量呼吸速率那么简单。血氧水平如何?血糖呢?有没有可能患上了某种传染病? Siri 将来或许能够提醒我们:“你刚刚接触了病毒性脑膜炎。请立即就医寻求治疗!”

让我们从石墨烯功能服装跳转到经石墨烯赋能后的医学和人类学,并探讨其中存在的种种可能性。

当得知自己的几位祖辈都曾患有相同或相似的疾病时,你是否会担心自己的健康呢?你的家族是某种癌症的易患人群吗?你想知道自身携带的基因是否会让你和你的子女在未来面临色盲、糖尿病或自闭症的风险吗?石墨烯强化传感器也许能帮上忙。

印度和日本的科学家正致力于开发石墨烯晶体管,以检测有害基因。这种传感器可在DNA 杂交过程中发挥作用,当“探测DNA”与互补的“目标DNA”结合时,科学家便可检测出有害基因。在这种结合或杂交发生的时候,探针的电性能便会发生变化。这个过程无需石墨烯也可实现,但会需要几个中间步骤,还会用到其他材料和工艺。也就是说,整个过程十分复杂。但是应用石墨烯之后,研究人员便可跳过这些中间步骤,提高这项技术的整体效率。

但是,那些难以发现的疾病又该怎么办呢?这些疾病往往发现得太晚,来不及治疗。我们都有过朋友或家人遭受癌症折磨的经历,

如果幸运的话,肿瘤会在早期被发现,它们还没有长得过大,或发生严重扩散,患者的存活率会大大提高。不幸的是,由于癌细胞与普通细胞十分相似,我们的免疫系统无法有效对抗它们,以致通常在我们发现它们时,已为时过晚。我遇到过一个案例:一位同事的妻子最近被诊断出晚期癌症,在确诊后两周内就匆匆离世。在感觉到明显症状之前,她已患病很长时间,等发现时一切都已经太晚了。

虽然石墨烯不太可能成为治疗癌症的“灵丹妙药”,但它可能会在癌症的早期发现方面发挥巨大作用。它有可能成为医生开展癌症检测和治疗的有力工具,原因是石墨烯对电荷或物体表面出现的任何物理性接触十分敏感。回想一下,石墨烯本质上是一个原子厚的碳原子矩阵,所有碳原子都位于同一平面上。它的导电性能极佳,任何表面接触都有可能引发导电性能的轻微变化,从而帮助人们轻松检测出那些表面接触。

想象一下,薄薄的一层水流淌过光滑的平面,途中带入一小块岩石。岩石激起的湍流是显而易见的。这里的光滑平面就类似于单层石墨烯,水是电流,岩石则是与石墨烯接触的某种“另类”原子。水流或电流的变化程度,可以揭示被带入湍流的岩石的类型。当一个正常的生物细胞与通电的石墨烯传感器接触时,我们可以远程探测出水或电子在流动过程中受到的特有干扰模式。如果接触的细胞存在癌变现象,那么水流或电流受到的干扰方式或模式就会不同,我们可以通过一种名为拉曼光谱的技术对干扰方式或模式进行检测。

癌细胞似乎比正常细胞更加活跃(毕竟,癌细胞的生长不受控制——这也是癌细胞极其危险的原因),因此它们的总负电荷会更高。石墨烯传感器可以很容易地检测到这种微小的电荷差异。

这种检测方法从实验室环境普及到各地诊所还需要哪些步骤尚不清楚。为了使这种传感器真正发展成为行而有效的早期检测技术,它们还势必要从诊所进入到我们的日常生活,因为我们的目标是在癌细胞扩散至全身、达到失控状态前找到它们。利用石墨烯提升检测效果只是整个过程的第一步。

石墨烯传感器还能帮助我们轻松检测到什么?让我们暂且回到糖尿病的话题上。我们要知道,1 型糖尿病患者都必须准确且定期地监测血糖水平,以了解本人所需的胰岛素注射量。如果注射量过小,患者就会一直处于血糖较高的状态,随着时间的推移,他们的循环系统将会受到严重损毁,因为血糖负担过重的血细胞会在毛细血管和动脉中肆虐。如果注射量过大,患者的血糖水平将急剧下降至低血糖水平, 导致患者失去知觉甚至死亡。由于大脑直接利用血糖来获取能量,因此它几乎可以立即察觉到低血糖带来的影响。随时拉紧保持正常血糖这根弦是1 型糖尿病患者必须时刻注意的日常事务。

要准确测量血糖水平,目前只需一滴血和快速血糖仪即可。为了获取血滴,患者通常要用一根小针刺破手指,然后才能进行检测。在理想状态下,患者每天须刺破手指至少8 ~ 10 次以检测血糖水平。而且日日如此,周周如此,月月如此,年年如此。你可以想象这将是多么令人厌烦、不便和痛苦啊。一定会有更好的办法吧?

科学家们发现,通过分析眼泪也可以测量血糖水平。可供测量的泪液量要比血滴量少得多,幸运的是,可实现该功能的微型传感器已被成功研发出来。许多公司都在研究,如何将这种传感器植入可供糖尿病患者佩戴的隐形眼镜中,以代替不断刺破手指的血糖检测方法。问题在于,这种隐形眼镜还较为粗糙,通常要比普通的隐形眼镜更大、更重,而且容易造成眼睛干涩。然而,石墨烯在这里又有了它的用武之地。

在第6章中,我们讨论过如何利用多层堆叠的氧化石墨烯薄片作为污水净化的过滤器。只要往合理的方向多堆叠两层石墨烯,我们就可以阻止水流,让它们形成一个近乎完美的防水透气层。再加上石墨烯既轻薄又强韧,还能吸收电磁能量(指可见光或紫外线等),并将这种能量以热能的形式消散掉,因而可以说,我们已经找到了可以制作血糖检测隐形眼镜的理想备选材料。

这种设想中的石墨烯镜片不仅坚固、轻薄,能够保护眼睛免受紫外线的伤害,保持水分以缓解眼睛的干涩,还能为佩戴者提供血糖信息, 这样糖尿病患者就无需再为控制血糖而经常刺破手指了。总之,这一切听起来都像是稳操胜券的样子。接下来,我们将在眼睛的基础上, 进一步看看石墨烯在人类大脑中的应用。

 

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