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科技改变了世界,2023腾讯WE大会上诺奖得主揭示新技术突破|钛媒体焦点

过去10年来,霍金、彭罗斯、潘建伟、姚期智等94位全球顶尖科学研究者登上腾讯科学WE大会舞台,分享宇宙学、理论物理、生命科学、地球科学、空天科技、信息科技、智能制造等十多个领域的基础科学研究及前沿科技应用。

10月28日,2023腾讯科学WE大会如期而至。今年是该活动举行的第11年,而且也是三年后首次回归线下。公众线上线下参会累计近1亿人次。

“11 年来,WE大会始终致力于探讨如何运用科学,帮助我们更好地了解世界、制定解决气候变化和可持续发展问题的方案”,腾讯首席探索官网大为表示,人类需要利用 AI 等技术,不断提升所有关键领域的生产力,以应对“食物、能源与水”等基础资源稀缺的重大挑战。

本届以“种子”为主题,包括七位顶级学者进行演讲:两位诺贝尔奖得主——“石墨烯之父”安德烈·海姆、首颗系外行星发现者迪迪埃·奎洛茲,两位中国科学院院士——中国高温超导研究奠基人之一赵忠贤、国家作物种质库主任钱前,以及“网状化学”领域开拓者奥马尔·亚基、世界衰老生物学权威琳达·帕特里奇、磁控固液相变材料开发者蒋乐伦。

当科技改变世界,人类将记录下科学技术诞生的每一刻。

钛媒体App梳理了其中演讲的关键技术内容,以及专家与钛媒体App等的交流内容分享,以飨读者:

诺奖得主安德烈·海姆:获得诺贝尔奖秘诀是什么?

“简单回答,最快的方法就是不要试图去赢得奖项,”10月28日,诺贝尔物理学奖得主、“石墨烯之父”安德烈·海姆(Andrew Geim)现场对钛媒体App等表示,对于获得诺奖的心态,他认为有些人把赢得诺贝尔奖作为职业生涯的目标,但其实“顺其自然就好,不要刻意去追求经济价值。带着一点儿自嘲,带着一点儿微笑去做研究,总有一天会成功的,这一点很重要,而不是试图赢得任何东西。”

中国科学院、美国科学院、英国皇家学会院士,2010年诺贝尔物理学奖得主 安德烈·海姆

作为获得过诺贝尔奖和搞笑诺贝尔奖的“双料诺奖得主”,安德烈·海姆与合作者在实验室扔掉的废弃胶带上,将石墨的层状结构分离开来,获得了人类首个二维材料——“石墨烯”,并具有非常高的热传导性和电传导性。这一发现立刻引起了全世界科学界的关注,并使得过去10多年石墨烯材料的广泛应用。

2010年,安德烈·海姆团队因“研究二维材料石墨烯的开创性实验”获得诺贝尔物理学奖。而在此之前,他还曾将一只青蛙放到磁场中显示出悬浮空中画面,为超导材料的应用提供了新的思路,令他获得“搞笑诺贝尔奖”。

石墨烯又称单层石墨、碳单层,是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜材料,并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块。目前,石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料。

从学术到工业应用,有些材料花了70年,但石墨烯只用了20年,处在一个飞跃性的阶段。安德烈·海姆在演讲中表示,石墨烯的降温属性和光源属性可以用在包括电池、光照材料、冷却LED、增强运动鞋上的荧光色等领域,而且还可以改进无人机的性能。此外,二维材料还能加到可穿戴可弯折的电子产品中,包括手表、可折叠手机等。他还提到,利用石墨烯可以轻易模仿、解释、验证了70年前就被科学家预测的量子世界隧穿现象,这为更多科学家利用电子的隧穿改进计算机组件、创造未来量子设备新材料提供依据。

对于中国是否会在下一代半导体材料的竞争中领先,安德烈·海姆认为,当前无法描述未来材料科学的进化趋势,它就像是商业中的一种黑天鹅事件。从现有的应用看,石墨烯可以用于下一代电子产品,而不再是硅。乐观点来说,也许10年后,人类将会看到更多基于石墨烯材料的二维晶体管。

谈及自己为什么能够获得两个不同的诺奖时,他还风趣地表示:“这可能是因为我知道很多其他的诺贝尔奖获得者不是很幽默。”

安德烈·海姆强调,人们发明铅笔已经有快500年的历史,当你用铅笔在纸上画出痕迹,里面其实就有石墨烯的存在。而这种材料每天在人们的眼前出现,但直到今天,人们才发现这个神奇的材料。“在我们习以为常的生活中,还有很多值得发现的奇迹。”

蒋乐伦:人形机器人在医疗领域很有应用前景

100多年前,捷克童话作家卡雷尔·恰佩克(Karel Capek)在剧本《罗素姆万能机器人》里,首次提出了“机器人”(Robot)的概念。百年来,科幻作品里的机器人,从外型到能力都发生了巨大变化。

及至1991年,卡梅隆导演的《终结者2》上映,作为大反派的液态机器人T-1000刷新了人们对机器人的想象。它拥有可以融化成液体再重新凝固成人型的强大技能,不仅能在受伤后自行修复伤口,还能在被液氮冻到炸裂之后自我再造。

如今,科学家正不断把科幻作品的虚拟人物变成现实。

今年1月25日,科学期刊《细胞》旗下杂志《物质》(Matter)发表了中山大学深圳生物医学工程学院教授蒋乐伦和他们的合作者的实验论文“磁控固液相变材料”。

中山大学深圳生物医学工程学院教授蒋乐伦

该论文指出,磁控固液相变材料融合了固态与液态金属的优势,是液态金属材料和磁性颗粒混合制备而成的。其中,固态时具备较高刚度和高负载能力,液态时则可以像水一样自如形变。基于科幻电影中万磁王角色带来的灵感,该材料不仅能通过合金化调节温度控制形态相变,也可以通过外磁场来控制其运动、变形、分裂、愈合等形态变动。

“我们已经证明了磁控固液相变材料和机器人在生物医疗、工业制造等领域的应用可能。微型磁控固液相变机器人可以在无线磁场控制下进入人体,完成靶向药物运送、异物清除等医疗任务。”蒋乐伦表示,论文中通过“复刻‘T-1000’的越狱场景”,展示了关于磁控固液相变机器人的研发成果,让论文读者能够更直观地理解这项工作。

论文评审人则指出,“这是一种磁控相变材料,里面含有磁性颗粒和液态金属,能够实现一些非常有趣的能力。它能够适用一些非常创新性的应用,比方说修复电子电路等,特别是在材料研究方面取得了新进展。”

在应用层面,蒋乐伦教授表示,目前它是一个基础性研究的工作材料,目前做了一些应用探索,比如零部件组装、液态螺丝钉固定、修复电脑主板电路等。而在医学领域,磁控相变材料可以在40摄氏度夏进入人体,以固态形式包裹药物逐步液化,以及透过人体形成涡流释放药物等。

谈及人形机器人的发展,蒋乐伦对钛媒体App表示,人形机器人在医疗领域很有应用前景。

他指出,从波士顿动力的人形机器人到特斯拉的“擎天柱”,人形机器人从简单的传统运动控制理论,走向基于 AI、电机的一些多关节控制,这成为发展趋势。由于 AI 与机器人的结合,人形可以发展更好的技术方案,比如类似人的结构和运动方式从而正茶馆行走、瑜伽动作。

“我们看到了人形的发展很快,迭代很快。因为AI技术这几年发展的速度是非常快的。所以总体上,我是比较看好这个技术。但人形机器人在医疗领域的应用更多是服务型的,比方说家庭有老人需要是陪护或是辅助性工作,我觉得人形机器人应该是很有应用前景,而且现在成本降得比较低了。”蒋乐伦表示。

蒋乐伦在演讲中表示,“设想未来,我们可以基于液态金属机器人实现自下而上的集群制造,液态金属材料可以在磁场作用下变形成不同的微单元,而微单元可以相变成形为不同的零部件,进一步像乐高一样自我组装成机器人,便在磁场操控下并行于运动,可以制造不同功能的机器人。”

“科幻电影往往展现的是人类对未来科技的一种美好向往,我们希望我们的智能液态金属机器人能成为一颗种子,将来能够开花结果。我也相信,随着科技的进步和发展,更多的科幻场景将会照进现实。”蒋乐伦称。

诺奖得主奎洛兹:地球上不再有生命起源,只有生命繁衍

从古至今,人类身处在数千亿颗恒星的银河系中,而绝大多数恒星周围都有环绕的行星。那么为何恒星会有行星环绕,理由是一切的开端来自于一团氢气组成的星云,当氢气团坍缩后,就会形成年轻星——而在恒星的周围,残余的物质就会形成行星。这就是人类所说的“行星理论”。

2019年诺贝尔物理学奖得主迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)

1994年左右,在日内瓦大学读研究生时期,初出茅庐的迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)在米歇尔·麦耶的指导下,使用了安装在上普罗旺斯天文台1.93米望远镜上的高分辨率光谱仪ELODIE来探索褐矮星和巨型行星。他和米歇尔·麦耶共同发现了围绕主序星的首颗太阳系外行星。奎洛兹用径向速度测量的方法分析了飞马座51,结果发现了一颗轨道周期为4.2天的行星,即飞马座51b,挑战了当时正统的关于行星形成的见解。

1995年11月,梅耶和奎洛兹共同在《自然》(Nature)杂志上发表了论文,正式对外宣布了这一史诗级发现,证实了首颗系外行星的存在,为行星科学领域开启了无限的可能性。

2019年,奎洛兹凭借这项开创性的发现,与梅耶以及加拿大物理学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)分享了诺贝尔物理学奖。

“地球上不再有生命起源,只有生命繁衍。”2017年沃尔夫物理学奖、诺奖得主、“起源联盟”负责人奎洛兹在演讲中表示,团队持续开发天文仪器和技术,发现数千颗行星的探测方式和研究进展。“我们通过测量行星体积、质量、温度,以及研究大气层,寻找并探测适合远程研究生命的类地行星系统。”

“宇宙中有数量庞大的行星,而除了质量、体积和密度,我们还可以获得更多的发现,这就是(太空这一)令人着迷的地方。”奎洛兹表示,“40亿年前,地球地表的化学反应生成了能够诱发生命起源的物质。而当生命出现时,生命体本身的化学机能和反应就开始影响并改变地球。现在的地球不再具备从物质转化为生命的条件。”研究宇宙天体,探测其他行星上的生命起源事件,可以帮我们找到地球生命起源的答案。

两位中科院院士探讨高温超导和种质资源价值

超导是指材料在低于某一温度时,电阻变为零(以目前观测,即使有,也小至10−25欧姆·平方毫米/米以下)的现象,而这一温度称为超导转变温度。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性,因此超导材料这是一种革命性的材料。

从1911年荷兰物理学家首次发现超导现象,到20世纪50-60年代,以铌钛(NbTi)超导合金为代表的实用超导体材料被人们找到,自此,科学家们开启对低温超导技术的研究热潮。而找到临界温度更高的超导体材料,是科学家们一直以来的梦想。

1964年,赵忠贤从中国科学技术大学毕业后进入中国科学院物理研究所工作,一直从事低温与超导研究。

在苦干和巧干的加持下,1987年,赵忠贤院士团队从钡镧铜氧系统中观察到70K的超导迹象,并意识到稀土掺杂对超导迹象的影响,最终发现临界温度为 92.8K 的钡钇铜氧(Ba-Y-Cu-O)超导体,成功地将临界温度提高至液氮温区。1987年2月24日中国科学院数理学部举行新闻发布会宣布了这一发现并在世界上首次公布了元素组成。

这一研究使便宜好用的液氮可以取代原本昂贵的液氦来创造超导所需的低温环境,引发了国际物理学界广泛关注。

中国科学院院士,原超导国家重点实验室主任赵忠贤

不仅如此,该成果不但极大地促进全球高临界温度超导体的研究,也提高了中国物理学界在国际上的地位。赵忠贤所在集体因此荣获1989年度国家自然科学集体一等奖,他也作为团队代表获得了第三世界科学院物理奖。2009年,基于铁基超导体的研究他与其他研究者一同获“求是”杰出科技成就集体奖;2013年获国家自然科学一等奖等。

此次演讲中,中国科学院院士,原超导国家重点实验室主任赵忠贤围绕超导的基本性质、超导应用举例和未来超导研究展望三部分展开。

目前,高温超导技术已逐步在能源、信息、健康等领域应用。例如,超导核磁共振成像早已成为医学检查的重要手段;世界上最灵敏的电子信号检测仪、最快的魔术转换器、最精密的陀螺仪都是用超导来实现的;加速器现在也采用超导技术。

“持续提高超导体临界温度、探索更适于应用的超导体材料和新工艺,将会对人类生产生活带来深刻变革。”赵忠贤介绍说,“未来五年,商业用的超导磁悬浮列车将会出现。”

赵忠贤强调,当前高温超导对传统的超导微观理论即BCS理论提出了挑战,在微观领域上还没有共识,同时在实验上缺少决定性的证据,需要深入的研究。“这既是挑战也是机遇。高温超导机理是重大的科学问题,这是国际物理学界的共识。”

“可以说,在未来十年,超导的应用,特别是化合物高温超导体的应用将会有很大发展。超导,仍然是一个充满挑战与发现的领域,这就是超导的魅力。”赵忠贤院士在结尾表示。

中国科学院院士,国家作物种质库主任钱前

另一位中国科学院院士,国家作物种质库主任钱前,在演讲现场回顾中国水稻育种历经三次技术飞跃,创造性引领水稻单产提升的科学突破。其中,袁隆平院士团队发现天然雄性不育的水稻种质“野败”,一批科学家集智攻关,成功攻克杂交水稻制种和杂种优势利用难题,显著提高了稻米产量,引领了“第二次绿色革命”,为解决中国及其他发展中国家粮食问题做出了巨大贡献。

实际上,农业科学历经百余年创新,维系着人与自然的平衡、人类社会的稳定繁荣。

钱前认为,“当下种业发展关键在于进一步提升种源创新效率,将生物技术与信息技术融合,推动育种技术向数字化、信息化、智能化方向发展,将我国种质资源优势进一步转化为育种创新优势。”

“水稻这个育种历程,历经数万人的坚守,铸就了科学家精神。科学家精神就是爱国、就是奉献、就是与人就是协同,以及我要致敬南方精神。”钱前院士在演讲结尾表示,我们要致敬以袁隆平、谢华安为代表的中国水稻育种家们。

美国、德国两位院士:人类应该如何延缓衰老?沙漠空气中如何“榨”出水?

金属有机框架(MOFs)是一种神奇的新型多孔材料,其作为自组装型多孔性材料而备受瞩目,能捕获空气中的有毒气体,有望在能源、环境以及生物医学等领域大展身手。

1995年,美国国家科学院院士、约旦裔化学家、“网状化学”领域开拓者奥马尔·亚基(Omar M. Yaghi)教授和合作者,联合研发出MOF技术引发学术圈关注。2005年,他的团队又研发出共价有机框架(COF),实现多个已知多孔性材料的新技术突破,设计了人类历史上首个能从低湿度环境中捕捉、在低温下释放并输送饮用水的装置。

美国科学院院士,2018年沃尔夫化学奖得主 奥马尔·亚基

根据研究成果,以MOF为核心部件的水收集器,平均每公斤MOF每天能从低湿度空气中抽取超过1.3升水,超过维持生命所需的最低限度;在加利福尼亚莫哈韦沙漠进行的实地测试中,每公斤MOF每天能产出1升水。目前,一吨MOF材料每个循环可产出750升水。这一装置已落地应用,并用于缓解全球的水资源压力。

由于其巨大的科研成就,2018年,亚基获得了沃尔夫化学奖等诸多奖项。目前,他发表了250余篇高质量论文,篇均引用次数高达300次,外界普遍认为他未来有望摘得诺奖桂冠。

奥马尔·亚基在演讲中表示,他在10岁的时候就在图书馆发现了“改变他一生”的分子图,他对此深深着迷,最终他能够通过分子结构发明出新的化学物质。美国预计到2040年,人类会有500万-600万人在一年中有三个月会面临供水紧张。因此,他认为需要寻找新的物质解决“水匮乏”问题。

对于其研究,亚基表示,“沙漠中的人们可以在家里使用太阳能驱动的水收集器,从空气中提取出足够一家日常所需的用水量,摆脱对自来水管网的依赖。”

“有了有机金属框架材料,不需要能源(除了太阳能之外),生活在干旱地区的人们或是水资源不够干净的地方的人们,大家从此刻可以看到对水资源的希望。但这还不仅限于此,在超过100个国家都在研究各种有机技术框架的应用,包括清洁能源、清洁水等方向的应用研究。”亚基表示。

另一位从欧洲远道而来的德国国家科学院院士、英国遗传学家琳达·帕特里奇(Linda Partridge)夫人,她所研究的领域是抗衰老工作。

英国皇家学会副会长,英国医学与科学院、美国艺术与科学院、德国国家科学院院士琳达·帕特里奇

帕特里奇教授1950年出生于英国,1974年于牛津大学获得博士学位。她是生物学和遗传学领域的权威。她致力于在果蝇等模型生物中研究衰老的基因和分子机制,成功证明了胰岛素信号通路在多个物种的衰老调控中的核心作用。

她是伦敦大学学院健康老龄化研究所的主任,也是德国科隆马克斯·普朗克老龄化生物学研究所的创始主任。Partridge教授于1996年被选为英国皇家学会院士,2008年荣获伦敦林奈学会的达尔文-华莱士奖章,2009年被授予女爵士司令勋章(DBE)。

在演讲中,帕特里奇教授表示,随着年龄增长,老年性疾病如心脑血管疾病、阿尔兹海默症和癌症等的发病率与严重程度与日俱增,生活质量逐渐下降,人类寿命在不断延长的同时,因衰老引发的患病率越来越高,寻找推迟衰老办法的衰老生物学成为热门学科。

“可以利用药物保护人们免受与年龄有关的疾病的侵害,而不是等到这些与年龄有关的疾病先出现,再逐一治疗。”琳达·帕特里奇通过动物饮食限制实验,探究衰老的基本机制和复杂过程,并基于此研究如何限制相关基因表达来延缓衰老。她提出用雷帕霉素复合药进行靶向预防,从而延缓不止一种老年疾病的发生,甚至彻底阻止它们。

帕特里奇强调:“我们不是为了延长生命的持续时间,而是要解决越来越长的生命末期中的健康状况问题。”

会前交流时,当被问及目前市面上抗衰老药物是否有效果,帕特里奇教授表示,“我不认为有任何抗衰老东西经过了正确的临床试验。人们经常谈论的是雷帕霉素、二甲双胍或者是α-酮戊二酸等化学药物,尽管它们在美国等地的药方中可以看到,合法合规销售,但目前没有任何临床证据。所以我认为这个领域处于一个奇怪的‘边缘’状态。如今,有越来越多的临床前证据表明,它们对于抗衰老有帮助,但还没有通过正确的临床实验。”

帕特里奇坦言,相对于生理上活多久,我们应该关注老年人如何真正地生活和享受生活,而且能够在心灵上减少孤独。她在现场对一位小学生表示,如何健康的衰老,不仅要绝对正确的锻炼方式、健康的饮食习惯,而且还要避免不健康的喝酒、抽烟等行为。

“但问题是,即使是拥有完美生活方式的人,也还是会出现衰老问题。所以我认为我们的身体需要额外的帮助,在此期间保持健康。”帕特里奇表示。

谈及如何做科学家,奥马尔·亚基在演讲结尾对孩子们表示:“在学校里,如果你发现有什么吸引你的注意力,不要犹豫。不一定要有远大的计划,但你需要有耐心,追随你的热爱、兴趣和好奇心。很多看似微不足道的科研工作,最终能够造福更多人的生活。”

(本文首发钛媒体App,作者|林志佳)

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