前沿科学??美国《科学》杂志评选出2001年度的十大科技进展郝建纲刘道军编译分子电子学将毫无疑问创造出功能强大的计算机来。利用这种强大的计算机,至少可以推动10年的科技大进展。我们很容易就可以看到用分子进行计算的诱人前景。今天,在艺术级的计算机芯片中,4000万个晶体管被装配到邮票大小的一块硅片上。这种微型景观中最小的特征其尺度达到了1米的1300亿分之一,即纳米尺度。在未来的10多年中,芯片工程师们希望—而不仅仅是单个的特征——能够把整个晶体管———缩小到每面120纳米。尽管看似已经很小了,但是与分子比起来,仍然是庞然大物。分子的大小只是它们的6000分之一。如果用分子尺度的元件,那么芯片上就可以容纳几十亿的元件。对于计算机性能的梦想,发端于计算机时代的早拉期。在1974年,IBM的马克?特纳(MarkRatner)和阿里?阿韦拉姆(AriAviram)就提出可以把单个分子做成电路元件,然后再用这些元件组装成计算机。但是,直到20世纪80年代隧道扫描显微镜出现之前,他们的建议仍然被认为是痴人说梦。隧道扫描显微镜的出现,使研究人员们可以去操纵单个的分子,并且可以随意移动,这导致了20世纪90年代后期的一大批这些方面的研究。研究表明,单个分子可以像半导体或者导线一样导电,从而可以作为现代微处理器的基本砖块。把单个分子变成电子器件,并没有花多长时间。米在1997年,由阿拉巴马大学的罗伯特?茨格(RobertMetzger)和耶鲁大学的周崇武(音译)领导的研究小组首次制造出由分子制成的器件,一个芯片设计中最为基本和常用的单向电流阈。在1999年7月,由加州大学洛杉矶分校的詹姆斯?汉斯(JamesHeath)和弗拉斯?斯托达特(FraserStoddart)领导的小组研制出了一个原始的开关。这是一个分子器件,它可以传导电流,但是当施加一个恰当的电压后,这个分子就会改变形状使电流不能传导。几个月后,一让分子拉起手来在2001年里,科学家们用分子组配成的基本电路,增加了实现全新的纳米电子世界的希望。计算机芯片技术已经伴随重大科技进展十多年了。没有计算机,科学家就没法来追踪气候的变迁,没法对整个生物体基因组进行测序,也没法对工作中的人脑进行成像。但是现在,把更多的电路融刻到硅片上却面临着一个根本上的极限。颇为令人尴尬的是,人们实际上也不能把电路的“内脏”———晶体管、电阻、电容以及导线———做到小得使其无法正常工作的地步。最近几年,科学家们试图寻找终极的缩小技术来突破这一极限:把单个分子或者分子团制成晶体管以及其他计算机芯片的标准元件。这是一个很有启发性的想法,但是很多人怀疑研究人员也许永远无法把这些元件连接起来以形成更为复杂的电路。今天,这些疑虑都将烟消云散。今年,科研人员首次研制出了分子尺度的电路。这一成就被《Science》杂志选为2001年度最为重大的科技进展。如果研究人员把这些电路连接到错综复杂的计算机芯片结构中,那么新一代的继2000年开发出一批纳米极装置后,2001年科学家再进一步将其连接成可以工作的电路6前沿科学??个由耶鲁大学的电气工程师马克?里德(MarkReed)和莱斯大学的化学家吉姆?图尔(JimTour)领导的研究小组报道说,他们研制出了一个分子尺度的元件,这个元件可以像晶体管一样控制电流。到2000年底,研究人员已经研制出了大量的各种分子元件,但是却没有表明如何才能把它们彼此连接起来。2001年,当5个实验室先后都把这些基本元件连接成能够进行一些基本运算的电路时,一个全新的世界出现了。首先是1月份,由哈佛大学的化学家查尔斯?里勃(CharlesLieber)领导的小组揭开了这一系列成功的序幕。在1月26日的《Science》上,里勃小组报道说,他们把磷化铟半导体纳米线制成了一种像井字游戏板上线条一样的简单形状。然后,为了表明该阵列是具有电子活性的,该小组利用一种称为电子束平版印刷术的技术把电子连接器件安置在连线的端点。尽管这个微型的装置还并不能算是一个电路,但表明,分立的纳米导线可以彼此连通。接下来在美国化学会的4月会议上,汉斯和他的同事们报告说,他们研制的半导体横梁———与以前不同的是,汉斯的小组把一种称为环烯(rotaxanes)的可以作为分子晶体管的分子安置在每个交汇处———通过控制每个横梁臂的输入电压可以制成一个16位的存储电路。但是,分子横梁只是这个成功故事的一部分。研究人员们通过用他们所偏爱的纳米材料———纳米管取得了一系列的进展。纳米管之所以成为如此热门的纳米材料,在于它具有一个非常理想的原子结构。碳层的不同卷法———碳原子链环绕或者螺旋绕着碳管———就会使纳米管有不同的电学性质,可以利用这一特性来把纳米管制成半导体或者导体。在8月26日网络版的《纳米快报》中,IBM的费东?阿沃里斯(PhaedonAvouris)领导的小组报导说,他们用一种半导体纳米管制成了一个电路———通过把纳米管安置在一对电极上,并且独立的控制其行为,使该器件能够像换流器一样工作;而换流器也是复杂电路中的一种基本元件。IBM研制的这个电路除了能进行基本的运算外,还有另外一个优点:“增益”即把微弱的输入变成强,大的输出。对于在多个器件中传送信号而言,这是非常必要的。在11月9日的《Science》上,有两篇文章报道了具有更大增益的电路。第一篇是由荷兰达夫特技术大学的希斯?德科(CeesDekker)领导的小组报导的,他们的工作也是基于纳米管的。早在1999年,希斯的小组就首次报导了他们研制成功的基于纳米管的晶体管。通过仔细的控制金属门电极的形成过程,希斯的小组研制出了能够把输入信号放大10倍的晶体管。与此同时,哈佛大学里勃领导的小组研制出了基于半导体纳米线的电路,这次,他们采用的材料是硅和氮化镓。最后,在一篇发表于11月8日《Science》网络版的报导中,一个由位于新泽西州默里山贝尔实验室朗讯科技的物理学家詹?逊亨德里克?(JenHendrikSchn)领导的小组成功的把用分子制成的晶体管连成了电路———通过化学的方法把这些有机分子组配在一对金电极之间而形成电路。在上述一系列成功的支持下,分子电子学正在快速的从探索性研究阶段转化到实用技术开发阶段。尽管这个领域中的专家们还有一些幻想,然而分子电子学取代传统的基于硅的计算机将是迟早的事情。现在,科研人员正在面对一个真正棘手的难题,那就是把这项技术从现在的基本电路推进到高度复杂的集成电路;而后者则能够改变目前基于硅技术的计算机的速度、稳定性并且降低其成本。毫无疑问,研究这种高度的复杂性,需要芯片制造技术上的革命。但是,随着芯片设计师们不断地趋近硅材料的极限,进一步发展在分子电子学方面的重大进展的迫切性也必将日益增加。RNA成明星分子RNA分子长期以来都被看作是在细胞内传递信息和氨基酸的小使者,而现在发现原来它是非常多才多艺的。1995年研究人员发现,一小段RNA可以关闭线虫中的基因,这与我们所熟知的在植物中常常发生的基因抑制现象非常相似。分子生物学家们认识到,这种RNA干预对研究基因功能可能有非常重要的价值。2001年,科学家又进一步发现RNA也可以抑制试验鼠以及人体的细胞。短链的RNA在生物体中有非常重要的作用。现在,已经知道在线虫以及果蝇体中存在着十多个这样的新近的研究表明,RNA能使植物基因处分子,它于关闭装态7前沿科学??们的编码是储存在DNA序列中的。在大肠杆菌中,已经发现了100多个这种微小的RNA基因,而在试验鼠脑组织细胞中,则发现了大约200多个。在线虫和果蝇体中,它们似乎还与发育有关;它们可以使大肠杆菌对外界环境的变化作出快速反应。在哺乳动物中,它们也有类似的作用。信使RNA的产生过程在2001年又得到了新的重视。在转录的过程中,首先合成出mRNA与活性基因匹配,然后再由它们指导细胞内蛋白质合成工厂(核糖体)来合成蛋白质。对连接mRNA编码区域的主要蛋白质的发现,使科学家对这一过程的细节有了进一步了解。2001年,研究人员们还发现,是连接体的RNA(而不是蛋白质)承担着去除不必要的序列的任务,这导致了一个新领域———核糖酶学的诞生。实验结果表明,在早期的生命形态中,RNA很可能要先于蛋白质。找到了丢失的中微子在过去的一个世纪里,科学最伟大的胜利之一便是知道了恒星如何利用核燃料。然而,物理学家们很快发现似乎有些什么东西搞错了。星际火球的产物—一种称为电子中微子的中微子—————并不像理论所预言的那样多。1998年,物理学家提出了似乎可以解释这一难题的证据:中微子可能从一种味(如电子中微子)振荡到了另外一种味(nuon中微子)。如果电子中微子在从太阳发射出来的过程中,能够变成其他类型的粒子,那么就可以解释为什么观测到的电子中微子会中微子离开太阳后转化为μ介减少。2001年6月,子和t介子加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家们宣布,他们发现了丢失的太阳中微子确实改变了味。加拿大科学家的发现与先前的实验一样,电子中微子的数目远远要比核物理学家给出的数目小。然而,接受到的中微子总数倒是与先前的预期一致;理论预言是正确的,中微子在到达探测器之前已经变成8了另外的粒子。基因组计划起飞大约3年以前,研究人员尚在犹豫是否要去开始人类基因组测序的国际竞争。但是,在这种竞争之下,私人公司的努力和国际间的联合最终导致在2001年年初发表了人类基因组草图。当这张草图首次发表时令人吃惊的是:人的基因组只包含个基因,这个数目甚至还不及低等蠕虫的两倍。这表明,基因只占了DNA的2%不到。因此与其说草图的完成是大功告成,不如说它只是激发了人“人类基因组计划”提前完成人类们对于更多基因基因组测序序列的寻求。到2001年底,大约已经得到了一半的人类基因组序列的精细完成图。现在,60多种其他生物的基因组序列也已经被测定。大部分都是一些微生物,如固氮菌、人类的某些病原体,或者是那些导致食物中毒的微生物。现在,对于日本吹气鱼基因组(已知脊椎动物中基因组排列最为紧密的生物)的测序工作已经完成,其数据已经释放到公共数据库中。另外,对于田鼠、老鼠、斑鱼、淡水吹气鱼、传播疟疾的蚊子、脉胞菌以及分体酵母的测序工作正在全面展开(后两种生物的基因组测序工作已接近完成)。一些私人公司宣布,他们已经得到了水稻和老鼠的初步基因序列图谱。超导体的惊喜2001年,当两个研究小组发现比预期温度高的非常不同的超导体后,有好几种无电阻传导电流的方法吸引着研究人员们。首先在1月份,研究人员宣布,一种化学实验室里常见的简单化合物乙硼化镁在39K时会变成超导体,尽管温度依然很低,但这已经是金属超导体转变温度的两倍了。但现在的问题是,乙硼化镁是与15年前发现的高温陶瓷超导体接近呢,还是更像传统的金属超导体?回答这个问题,将使我们更有望了解高温超导体的机理,而这一直都是一个未解之谜。到了3月份,前沿科学??理论上的问题解决了:乙硼化镁是一种有趣但确实是一种传统的超导体。尽管这不是研究人员们所期望的进展,但是它表明简单的化合物依然可以带来惊喜。—俗称巴第二种超导体可能更具前景,当C60分子——超导临界温度推向更高水平基球———搀杂了碱金属后,在18K时会变成超导体。2000年,物理学家们把这个转变温度提高到了52K。2001年8月,研究人员们宣布,他们把有机分子添加到C60晶体中,这就使得巴基球之间的距离增加了,进而使转变温度飚升到了117K。如果可以把C60分子彼此分得更开一些,那么研究人员们希望这种材料能够在室温下转变成超导体,这就为超导分子电子学打开了诸多新的可能性。气候上的信心2001年1月,一个由联合国资助的研究气候变迁的组织(IPCC)正式宣布:过去50年我们所观测到的气候变暖是由于温室气体浓度增加造成的,这是一个里程碑式的成就。由于对气候变迁有了更好的理解,最终使得IPCC认为,人类的活动应当对气温的升高负主要责任。随着越来越多的数据积累以及越来越好的计算机模型的出现,人们认识到,即使考虑了火山喷发的残留物、太阳活动以及气候体系之间的碰撞,仍然无法解释在过去的半个世纪里,为什么气温会上升016℃。通过对树木年轮以及其他能够表明气候变化的事物所记录下的温度变化数据进行分析,得到了一系列新的证据。以最近的1000年为计,20世纪比其他任何世纪都要暖和。这一新的科学见解促使各国谈判代表们在东京签署了关于控制温室气体排放的东京议定书(而美国代表却没有在其上签字)。布什总统之所以没有同意签署这一协议,是因为他所指称的过高的花费、发展中国家的不合理利益以及科学上尚存的不确定性。科学上的不确定性,从IPCC对于到本世纪末气温的可能人类活动是全球变暖的主要原因—到本世纪上升幅度预计中可以非常明显的看出来——末,气温有可能会升高518℃。这种不确定性中的一部分来自于尚未解决的技术以及社会经济学上的不确定性,但是更主要的来自于科学家们尚不能准确的确定气候和温室气体增加之间的关系。这一不确定性在近20年中从来都没有被缩小过。癌　症在尼克松总统和国会宣布向癌症开战后30年的今天,一类新的治疗癌症的药物已经进入临床使用。2001年,美国食品与药品管理局(FDA)批准了一种称为Gleevec的药物,这种药物可以用于治疗一种白血病。这是医药界的一个里程碑,因为Gleevec是第一种小分子药物,它通过对那些引起癌症的单个病变缺陷进行修复来发挥疗效。Gleevec的发展,是近30年来人们寻求导致癌症的基因变化的结果。例如,对于慢性骨髓癌—正是由于两种—可以用Gleevec来治疗——(CML)——基因(称为BCR和ABL)的融合导致了一种不正常的激酶的产生,而这种酶加速了癌细胞的生长。因为Gleevec可以抑止激酶,所以它对于治疗CML非常有效。特别是在白血病的早期,控制激酶成了新一轮抗癌药物的主要目标。目前,在全世界已经有几十例临床实验在进行中,它们的目的都是为了检验这种靶向治癌药物的有效性。玻色-爱因斯坦之年冷却原子的玻色-爱因斯坦凝聚是1995年的重9前沿科学??大新闻,2001年10月,这项工作被授予了诺贝尔物理学奖。2001年3月,两个小组都发现如何在氦的亚稳态(在这个态中,大量的能量储存在原子的电子中)中形成玻色-爱因斯坦凝聚态(BECS)。每一个亚稳态的原子都好比是一个即将爆炸的炸弹,因此这一结果很可能会导致像激光束一样的原子束,从而可以用来在硅片上刻蚀纳米电路。研究人员们在2001年也研究了其他新型的凝聚态。一个小组通过冷却锂的同位素而在原子之间创造出一种量子压力,这种压力类似于那种在白矮星和中子星中阻碍它们塌缩的压力。在10月份,另外一个小组把钾原子变成了玻色-爱因斯坦凝聚态。这两个实验表明,可能会有更多的元素会形成BECS,从而使BECS具有全新的性质。2001年,科学家们也发展了操纵这种凝聚态的技术———发现当一部分原子蒸气塌缩到自身时,会发生一种原子星爆,称为玻色星爆,它会产生一种像星体塌缩时发出的冲击波一样的微型冲击波。类似的,物理学家们通过把大量的BEC束聚集起来,首次创造出了原子物质的挤压态(见图),这很可能是将来超精细测量的一条途径。为我指路在胚胎的发育期,轴突是怎样正确地找到它们的目的地呢?过去一年的几项研究为弄清这一神经网络控制系统作出了有意义的探索。20世纪90年代,研究人员已经识别出四类主要的分子信号,这些分子信号能够告诉四处游荡的轴突是“朝这里走”“朝那边去”还是。大约与此同时,研究人员还识别出正在发育的轴突表面上能相应地作出响应的接收器。现在已经证明,轴突能够连续地打开或者关闭接收器(见图),即轴突在体内游荡的时候,可以一会儿受到脊髓的吸引,一会儿又受到它的推斥。简单的停止/继续信号并不足以产生复杂的神经传输活动,尽管在某种程度上,轴突的生长末梢(称为生长锥)接收的是一些冲突信号。2001年的一项研究10显示,当生长锥接收到冲突信号(一个叫它停止,一个叫它继续)时,它不会不知所措。在细胞的表面,切口的接收器会锁上,从而使接收器无法接收不同的信号。理解发育中的轴突是怎样找到它们的路径最终将会有助于修复成年人的神经系统。因为某种尚不理解的因素的作用,人类的轴突一旦受损就不能再生了。修改这些信号可以诱使损坏的轴突(它们也有生长锥)重新生长在它们所需要的地方。确定二氧化碳沉降美国是世界上最大的温室气体制造商,但其二氧化碳等温室气体出现了沉降现象,即大气中的二氧化碳大幅减少。美国研究人员在沉降程度问题上曾有分岐,但两个意见相左的科研小组2001年修改了他们的预测,就沉降程度达成一致;二氧化碳沉降吸收了美国当前温室气体排放量的约三分之一,但沉降在今后百年中将可能放慢。这一成果有助于估计地球在今后几年会变暖多少。3年前,把大气CO2测量纳入计算机模型的研究人员得出结论,认为北美是一个极大无比的CO2吸收器,大得足以让植物生态系统吸收大部分释放出的CO2。然而,通过陆地勘查,研究人员却发现这个吸收器要小得多。科学家由此意识到,必须有一个“遗漏的吸收器”否则即使考虑了所有已知的吸收器,,比如海洋后,但停留在大气中的由化石燃料产生的二氧化碳还是比预期的少。2001年夏天,两个小组进行了一次联合研究,他们最终取得了一致的结论。在新的大气分析中,人们取了一个更长的时间段(20世纪80年代),发现了一个地形低于美国、面积接近于48个州的“吸收器”。关于碳的流向的更仔细的陆基测量(这一测量包括以前被忽略的吸收器部分,比如,衰退的树木和森林的土壤,水库中的沉积物以及出口的木材和粮食)得到了一个更大的数值。结果,吸收器大约为每年015皮克,约合现在美国释放量的三分之一。[Science,2001年12月21日]

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