2018诺贝尔奖大预测:钙钛矿太阳能电池会获奖吗?

来源:科普中国发布时间:2018-09-30

让我们拭目以待。

每年,诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖和化学奖都会授予那些在科学上取得重大进步和发现的科学家们。在这里,美国物理联合会 Inside Science 专栏的编辑们总结了今年有望摘取这些著名科学奖桂冠的有力竞争者。

2018诺贝尔奖大预测:钙钛矿太阳能电池会获奖吗?

诺贝尔生理学或医学奖——将于2018年10月1日公布

威猛的微生物

在几十年前,研究人员很少会去关注人体内的微生物,除非它们“为非作歹”,引起了疾病。然而,由于细菌、病毒和真菌在保持人体身体健康方面发挥着许多关键的作用,它们不断地凭借自己的本事跻身到人体器官的行列。换句话说,它们完全可以被视同为人体的器官。

近些年来,微生物领域的关键进展是来自圣路易斯市华盛顿大学的杰弗里。戈登(Jeffrey Gordon)实验室。在1996年,戈登教授和他当时的研究生林恩。布里(Lynn Bry)曾证明,老鼠需要肠道内的微生物来产生某些对其健康非常重要的复杂碳水化合物。而在十年后,戈登教授的研究团队发现骨瘦如柴的老鼠和大腹便便的老鼠的肠道微生物有着非常重要的区别。研究人员将肥胖老鼠肠道的微生物移植到无该微生物的瘦小老鼠体内后,他们发现瘦小的老鼠也会逐渐发胖;反之亦然,即将瘦小老鼠肠道里的微生物移植到肥胖老鼠体内之后,原先肥胖的老鼠也往往会苗条起来,而在这整个过程中,它们所摄入的食物量至始至终都保持相同。

这些发现促进了人类医学的进步,包括提高对使用抗生素的风险的认识,以及发展出能够治愈破坏性胃肠道疾病的“粪便移植”技术。有时,戈登教授更是毫不夸张地被称为“微生物之父”。至少自2015年起,他便一直是诺贝尔生理学或医学奖的有力竞争者。

寻找癌症病毒的猎手

据估计,大约有15%~ 20%的人类癌症的病例是由病毒引起的,癌症病毒可以将自身的遗传物质插入到宿主的基因组中。在1994年,来自匹兹堡大学的夫妻搭档研究小组,张远(Yuan Chang)和帕特里克。摩尔(Patrick Moore)通过使用一种独特的创新技巧发现了一种重要的致癌病毒。在研究的过程中,他们并没有去寻找病毒粒子,而是直接从癌细胞的基因组中减去正常人类的基因组,随之剩下的基因便是一种被称为“人类疱疹病毒8”的病毒基因组。

通常情况下,“人体疱疹病毒8”会被免疫系统直接抑制。但是对于那些免疫功能受损的人群来说,该病毒就会引起细胞的变化,比如促进细胞的生长和关闭细胞的自然死亡,进而增加了被感染细胞逐渐癌变的风险。这种病毒通常会导致三种癌症,这其中就包括卡波西肉瘤,它是一种在艾滋病患者中最为常见的癌症。卡波西肉瘤在一些非洲国家相当普遍,甚至超过了前列腺癌在美国的普遍程度。

在2008年,张教授和摩尔教授通过类似的方法鉴定了另一种会导致癌症的病毒——默克尔细胞多瘤病毒。他们的研究工作为其赢得了许多著名的奖项和数以万次的文章引用,同时也引发了他们在未来将有可能获得诺贝尔奖的猜测。

抗癌药物会关闭免疫系统的抑制机制

原本,人类的免疫系统会自然而然地寻找并摧毁那些癌变的细胞。但是癌症往往会鬼鬼祟祟地寻找反击的方法,直接躲避免疫细胞,甚至能够“策反”免疫细胞来保护它们自己。

许多类型的癌症都会提升机体的抑制机制,从而控制免疫细胞,犹如一个个关卡。这些关卡的确有助于防止免疫细胞,例如T细胞,直接攻击人体自身,但同时也保护了肿瘤细胞,让它们可以高枕无忧。

近年来,一批新的抗癌药物相继问世,它们可以将机体对免疫细胞的控制作用完全关闭。这些“关卡抑制剂”包括针对CTLA-4的药物和针对PD-1的药物。CTLA-4是一种可以让T细胞变得不活跃的关卡,而PD-1则会促使T细胞自我毁灭。

这些“关卡抑制剂”具有很显著的副作用,但它们被临床证明是有效的,甚至对一些以前无法治疗的晚期癌症也会有明显的疗效。该抑制剂的一位开发者是来自德克萨斯大学安德森癌症中心的詹姆斯。艾里逊(James Allison),他也因此获得了十多个重要奖项。然而,鉴于2011年的诺贝尔生理学或医学奖在一定程度上是表彰癌症疫苗的开发,今年或许诺贝尔奖评审团会不太愿意将荣誉再次授予那些与免疫系统相关的癌症治疗工作。

诺贝尔物理学奖——将于2018年10月2日公布

幽灵般的超距作用

一年前,来自中国的研究人员首次推出了量子加密的视频通话技术,而该通话技术是基于一种名为量子纠缠的量子现象。今年的诺贝尔物理学奖将很有可能会颁发给那些在量子纠缠领域做出杰出贡献的科学家们。

当不同的粒子处于纠缠态时,它们的状态是相互联系的,即使它们相隔“千山万水”。这种粒子之间的纠缠关系在量子世界里可能还会引发一些更为奇怪的现象。这是因为量子态并不是一成不变的,它会根据测量的时间不同而得到完全不同的结果。因此,测量量子纠缠中的某个粒子的特性会瞬间影响其配对粒子的状态。这也是爱因斯坦曾提及的著名的 “幽灵般的超距作用”,他本人是很不喜欢这种相互作用的。

1964年,物理学家约翰。贝尔(John Bell)曾提出了一种检测该“幽灵行动”是否真实的方法。在随后的几十年里,科学家们对所谓的“贝尔不等式”进行着越来越严格的测试。

在2010年,科学家阿兰。派拉(Alain Aspect)、约翰。克劳泽尔(John Clauser)和安东。齐林格(Anton Zeilinger)因在这一领域的突出工作获得了沃尔夫物理学奖。该奖项有时被认为是诺贝尔奖的一个预测指标。在2015年,科学家们又宣布他们终于对“贝尔不等式”进行了一次“无漏洞”式的测试,再次证明量子纠缠系统的不可思议之处很可能的确存在。

太阳能的利用

太阳在地球上每小时散播的能量足以满足人类一年的能源消耗。钙钛矿太阳能电池的出现,将有助于捕获更多这样的清洁能源。

钙钛矿是19世纪发现于俄罗斯乌拉尔山脉的一种矿物,并以俄罗斯矿物学家Lev Perovski的名字来命名。钙钛矿材料是一类具有相同晶体结构的材料,其中有些是通过人工合成的材料。在太阳能电池中使用钙钛矿材料的想法,是由来自日本桐荫横滨大学的宫坂力(Tsutomu Miyasaka)教授和他的同事在2009年首次提出的。起初,其太阳能转化效率只有可怜的3.8%。但很快,它的转化性能就超过了20%,完全可以媲美传统的硅太阳能电池。

同时,钙钛矿太阳能电池有很多优点:它们的制造成本相对较低;可以吸收所有可见波段的阳光;可以喷涂到各式各样的表面。

然而,钙钛矿电池目前仍然面临许多挑战:钙钛矿太阳能电池单元较小,还需改进其生产工艺,制备出更大面积的太阳能电池;热量和水分会损坏其电池的组成物质,电池的稳定性差;钙钛矿电池中往往会包含有毒金属——铅。但是,在未来如果研究人员能够解决这些不利因素,这种新兴的太阳能技术的前景还是很光明的。

通常来说,诺贝尔奖委员会比较认可基础物理领域的科学发现,而这些工程技术上的进步在评选中很可能会处于劣势。然而,曾今的一项能源创新技术——蓝光LED,就赢得了2014年的诺贝尔物理学奖。

光的降速和停止

光在真空中以每秒186000英里(300000 千米/秒)的速度传播。但近几十年来,科学家们一直在尝试使用特殊材料来减缓光速,使其传播速度可以低于普通人的行走速度,在某些情况下甚至可以完全停止。

在1999年,由丹麦物理学家琳恩。豪(Lene Hau)领导的哈佛大学研究团队,将光通过冷却到仅比绝对零度高几亿分之一度的钠原子气体,使其速度减慢到每小时仅38英里(约61千米/小时)。在如此低的温度下,这些冷原子会形成一种被称为“玻色-爱因斯坦凝聚态”的奇特物质状态。研究人员发现,处于“玻色爱因斯坦凝聚态”的物质的光学性质可以通过控制激光来直接操控。

随后的实验进一步减慢了光的传播速,在2001年,研究人员甚至让光完全停止了大约一毫秒的时间。后来,在2013年,德国科学家在一个晶体中让光整整静止了一分钟。这些实验绝不仅仅是物理学家的小把戏,这种操纵光的方式在未来很可能会促进计算机和通信网络的进步和发展。

无疑,豪教授是光降速和停止实验的先驱之一。如果今年她可以被授予诺贝物理学尔奖,这将打破近50多年来诺贝尔物理学奖只有男性得主的魔咒。

诺贝尔化学奖——将于2018年10月3日公布

今年会是CRISPR年么?

近年来,基因编辑技术CRISPR的发明者一直都在诺贝尔化学奖的候选名单上,今年自然也是一样。这项基因编辑技术是利用从细菌中提取的分子工具,将DNA片段剪切并粘贴到有机体的基因组中。其影响是非常巨大的:科学家们认为通过该基因编辑技术可以消灭像亨廷顿氏舞蹈症这样的遗传疾病,也可以增强脆弱作物对气候变化的抵抗力,甚至还可以创造出产绒量极多的绒山羊。然而,有些人担心,这项技术可能会导致一些伦理的困境,比如涉及到设计婴儿和复活灭绝物种。

而且,CRISPR并不能毫无争议地切断基因,几位相互竞争的科学家声称已经开发出更新的基因编辑技术。来自伯克利加州大学的生物化学家詹妮弗。杜德纳(Jennifer Doudna)和德国柏林的马克斯。普朗克感染生物学研究所的生物学艾曼纽。卡彭特(Emmanuelle Charpentier),在最近一轮激烈的专利纠纷中落败。其竞争者是来自马萨诸塞州剑桥市的哈佛大学和麻省理工学院博德研究所的生物化学家张锋(Feng Zhang)。

便携的电源:锂离子电池

今天,锂离子电池为全世界提供着电力,然而,它并没有为其发明者赢得诺贝尔奖。从智能手机到电动汽车,锂离子电池已经无处不在,它为日益机动的世界扫平了障碍。

在电池内部,带电的原子,也被称为离子,沿着两个电极之间的路径运动,并产生电流。在当前最常见的一种可反复充放电的锂离子电池中,其富含锂的阴极是由氧化钴组成,而阳极是由碳组成。这一电极的组合在最初发现时就是完美的:电池紧凑且稳定,而且能比其他同等大小的电池存储更多的能量。在1991年,第一个商用的锂离子电池投放市场,并且在这随后的每天里,科学家们都在测试和开发更为高效和安全的锂离子电池。

来自宾厄姆顿大学 (纽约州立大学)的斯坦利。惠廷汉姆(Stanley Whittingham)在纽约起草了锂离子电池的初始设计方案,而随后,锂离子电池能够更加安全和便携地使用则在很大程度上归功于来自德州大学奥斯丁分校的约翰。班尼斯特。古迪纳夫(John b 。 Goodenough)和来自日本名古屋市的日本旭化成公司和名城大学的旭化成(Akira Yoshino)教授。如果这项技术最终得到认可,这三位科学家都有可能因此获得诺贝尔奖。

聚焦一位可能再次荣获诺贝尔奖的科学家

在2001年,斯克里普斯研究所的卡尔。巴里。夏普莱斯(K。 Barry Sharpless)因其在“手性催化氧化反应”中的杰出工作获得了该年的诺贝尔化学奖。作为该研究所唯一的科学作家,我责无旁贷地迅速撰写了一篇新闻稿,向记者介绍了他在不对称催化方面的获奖作品。那天早上,从纽约到圣地亚哥,所有的电视、广播和报纸的记者们都忙着想要采访我,而我的老板却只给我安排了不到一个小时的新闻发布会。

幸运的是,一位来自夏普莱斯教授实验室的名叫瓦雷利。福金(Valery Fokin)的年轻研究员(他现在在南加州大学工作)给予了我很大的帮助。他巧妙地向我解释了什么是不对称催化科学——一种选择性合成化合物的方法,然后迅速地回顾并巧妙地纠正了我所写的那篇关于这项研究突破的文章。不对称催化作用最后生成的不是右旋分子和左旋分子的混合物(这可能是有害的,比如沙利度胺,其右旋构型有镇静功效,而左旋构型却会导致婴儿畸形),而是有选择性地产生其中一种或是另一种构型。

同年,夏普莱斯教授创造了“点击化学”这个词汇,用来描述合成化学领域的另一项突破。该项突破是他与福金以及前斯克里普斯研究教授芬恩(M.G.Finn)(现在是乔治亚理工大学)共同开创的。在过去的几年里,“点击化学”一直是诺贝尔奖的有力竞争者,而夏普莱斯、福金和芬恩也因此列入了诺贝尔化学家候选名单之列。

“点击化学”是材料合成梦想的组成部分。它是一种简单的、快速的、在单个容器中进行不对称催化反应以获得高收率并使随之产生的副产品是良性或易于纯化的材料合成方法。这些都是药物设计中所要重点考虑的因素,其中一个主要的挑战是如何在工业规模上开发出合成工艺,以制造出小分子药物。

如果夏普勒斯教授今年再次获奖,他将成为少数几个可以同时荣获两项诺贝尔奖的人。如果福金教授获奖,我会再打电话给他,要知道他的专访必须归我!

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