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4月9日，萬(wàn)象•科學(xué)Talk第1期中科院青促會(huì)合作專場(chǎng)“隱藏的次元”在廣州市南沙區(qū)圖書(shū)館舉辦。本次活動(dòng)邀請(qǐng)了來(lái)自高溫超導(dǎo)、光電轉(zhuǎn)換、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、體外診斷、生物 3D 打印、植物水分傳輸?shù)阮I(lǐng)域的6位中科院科學(xué)家，面向線上線下觀眾，用喜聞樂(lè)見(jiàn)的脫口秀形式分享了各自的科研故事和發(fā)現(xiàn)。

本次萬(wàn)象•科學(xué)Talk由中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、廣州物聯(lián)網(wǎng)研究院主辦，廣州市南沙區(qū)圖書(shū)館、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院協(xié)辦，廣州市南沙區(qū)科學(xué)技術(shù)局支持?；顒?dòng)通過(guò)百度百家號(hào)、央視頻、南方+、廣東科技報(bào)、嗶哩嗶哩、萬(wàn)象曰視頻號(hào)和抖音等平臺(tái)同步進(jìn)行線上直播。

羅會(huì)仟：在火爐里修煉高溫超導(dǎo)心經(jīng)

近期，深圳第一高樓用上了國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)電纜，以數(shù)倍于常規(guī)電纜的電量輸送能力，提供高可靠性供電，這得益于超導(dǎo)體零電阻的優(yōu)勢(shì)。

目前已知的絕大部分超導(dǎo)體的超導(dǎo)溫度都低于40 K(即零下233.15℃)，這也是常規(guī)超導(dǎo)體臨界溫度的理論上限。由于降溫成本和難度比較大，常規(guī)超導(dǎo)難以大面積應(yīng)用。高溫超導(dǎo)的重要性不言而喻。說(shuō)是“高溫”，其實(shí)是“高冷”，目前的高溫超導(dǎo)材料，如銅氧化物，最高的超導(dǎo)溫度記錄是165 K(即零下138℃)。因此，還需要找到更多能“高溫”超導(dǎo)的材料。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員羅會(huì)仟介紹到，探索超導(dǎo)材料的方法千奇百怪，最常用的是通過(guò)燒爐子，把各種化學(xué)元素“炒”在一起，看看超不超導(dǎo)。燒制不同的超導(dǎo)材料，需要借助不同的爐子。羅會(huì)仟提到一種高級(jí)的爐子——移動(dòng)光學(xué)浮區(qū)爐，這需要用光加熱。只要這個(gè)光夠給力，爐子玩得轉(zhuǎn)，最后就能得到高質(zhì)量的晶體。只要溫度足夠低，這些晶體電阻就會(huì)降到零，實(shí)現(xiàn)超級(jí)導(dǎo)電。

那么，高溫超導(dǎo)體是如何實(shí)現(xiàn)超級(jí)導(dǎo)電的呢?羅會(huì)仟及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)中子散射實(shí)驗(yàn)，利用一束不帶電但有磁性的中子，去探測(cè)材料中電和磁的相互作用，從而為更好地實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

田文明：透過(guò)時(shí)間分辨光譜看“光明”的未來(lái)

太陽(yáng)作為最大的光源，每秒鐘照射到地球上的能量相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤。如果能將太陽(yáng)光全部轉(zhuǎn)化為電，將有效助力碳達(dá)峰、碳中和的實(shí)現(xiàn)。

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員田文明介紹到，光電轉(zhuǎn)換材料以及材料中的電荷運(yùn)動(dòng)情況是影響光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。鈣鈦礦作為一種新型光電轉(zhuǎn)換材料，兼具轉(zhuǎn)化效率高和制備成本低等優(yōu)勢(shì)，僅用了10年多的時(shí)間，就取得了接近硅基材料光伏電池50多年才實(shí)現(xiàn)的成就，將光伏發(fā)電效率從3%提升至25.7%。

為了更好地了解材料中的電荷運(yùn)動(dòng)情況，田文明及其所在團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種時(shí)間和空間分辨電荷運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，不僅能直觀看到電荷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，還能知道電荷能跑多快、跑多遠(yuǎn)，以及壽命有多長(zhǎng)。此外，這個(gè)技術(shù)既能看到單個(gè)晶粒中的電荷運(yùn)動(dòng)，又能觀察到電荷跨晶粒運(yùn)動(dòng)以及跨晶界后的損耗。有了這種技術(shù)，她和她所在團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)光電材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)定向電荷運(yùn)輸，提升電荷利用效率。研究結(jié)果為尋找更好的半導(dǎo)體材料、設(shè)計(jì)更優(yōu)秀的電池結(jié)構(gòu)等提供了科學(xué)依據(jù)。

杜強(qiáng)：破解航空飛機(jī)“心臟”高溫難題

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研究員杜強(qiáng)的日常工作是給航空發(fā)動(dòng)機(jī)里最重要的零件——渦輪葉片降溫。然而，渦輪葉片的最大厚度僅為6毫米左右，對(duì)它進(jìn)行降溫可是個(gè)“繡花活”。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器的動(dòng)力之源，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)械制造皇冠上的一顆明珠”，而渦輪葉片的壽命，也決定了整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。如何讓渦輪葉片安全穩(wěn)定運(yùn)行，是杜強(qiáng)及其團(tuán)隊(duì)一直努力的方向。金屬的極限耐溫不過(guò)一千度左右，而渦輪葉片要承受的最高溫度可達(dá)2000K，同時(shí)還要承受40個(gè)大氣壓以及20000轉(zhuǎn)/分的高轉(zhuǎn)速。杜強(qiáng)把高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的“三高”環(huán)境下的渦輪葉片形象地比喻成“高溫火爐中的舞者”。

為降低渦輪葉片金屬壁面的溫度，杜強(qiáng)及其團(tuán)隊(duì)主要采用內(nèi)部和外部相結(jié)合的冷卻方法。在葉片內(nèi)部，設(shè)計(jì)復(fù)雜的“蛇形”冷卻通道，從發(fā)動(dòng)機(jī)低溫位置源源不斷地引入冷卻氣流，像流通的“血液”一樣，持續(xù)降低葉片內(nèi)部的溫度。在葉片外部，設(shè)置各種形狀的冷卻氣膜孔，冷氣從氣膜孔流出后將覆蓋葉片表面，就像是給葉片穿上了“隱形的外衣”，將金屬壁面與高溫燃?xì)膺M(jìn)行“隔離”，以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦輪葉片的高效冷卻，使葉片達(dá)到長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)要求。

劉慧：揭開(kāi)植物越高越“渴”的秘密

森林是陸地上最大的儲(chǔ)碳庫(kù)和最經(jīng)濟(jì)的吸碳器。近些年，隨著全球變暖趨勢(shì)越來(lái)越明顯，很多區(qū)域變得越來(lái)越干旱，樹(shù)木遭受嚴(yán)重生存威脅。中國(guó)科學(xué)院華南植物園副研究員劉慧主要研究植物是如何“渴死”的，通過(guò)對(duì)植物“病情”的觀測(cè)，尋找植物耐受各類惡劣環(huán)境的調(diào)節(jié)機(jī)制。

劉慧在分享中提到，植物的水分和養(yǎng)分是它的“血液”，可以通過(guò)定期測(cè)水勢(shì)，來(lái)衡量植物“渴”的程度。樹(shù)木從下往上運(yùn)輸水分，高度越高，水勢(shì)也越來(lái)越小，植物也越來(lái)越“渴”。干旱時(shí)，植物管道里的水勢(shì)下降，會(huì)有空氣進(jìn)入導(dǎo)管形成氣泡，造成管道堵塞，并逐漸導(dǎo)致水分運(yùn)輸中斷，越靠樹(shù)干頂端的葉片越容易“渴死”，進(jìn)而引發(fā)整株植物“渴死”。植物渴的時(shí)候，氣泡在管道中爆裂發(fā)出高頻的聲響，那是植物在哭泣和求助。為了應(yīng)對(duì)可能存在的“渴死”情況，越靠樹(shù)干頂端的細(xì)胞為了抵御極高的壓強(qiáng)，細(xì)胞壁會(huì)變得越來(lái)越厚，這給細(xì)胞分裂帶來(lái)巨大壓力，最終停止生長(zhǎng)。因此在植物學(xué)界，有個(gè)說(shuō)法叫“高樹(shù)再高也不會(huì)超過(guò)120米”。劉慧及其團(tuán)隊(duì)前后測(cè)過(guò)全國(guó)10多個(gè)地區(qū)300多種森林植物，還整合了全球大概1300多種的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)樹(shù)木越高，需要的水分就越多，但同時(shí)也越不耐旱。這也佐證了為什么幾十年間亞馬遜熱帶雨林里干旱死亡的基本都是高樹(shù)。

“我們可不能讓植物’渴死’，不然人類可能會(huì)’愁死’，要讓植物’向死而生’，為自然保護(hù)、人類社會(huì)創(chuàng)造更多的價(jià)值。”

阮長(zhǎng)順：用好生物3D打印這支“救命”神筆

每年我國(guó)大約有30萬(wàn)患者在等待器官移植，僅有3%左右的人成功移植，缺口非常大。2022年，心臟病患者大衛(wèi)•貝內(nèi)特成功裝上了基因編輯過(guò)的豬的心臟，延長(zhǎng)了2個(gè)月生命。這是人類首例豬心移植手術(shù)，為供體來(lái)源短缺和同源器官移植帶來(lái)了希望。但由于動(dòng)物心臟和人類心臟存在差異，人體會(huì)產(chǎn)生排異，所以異種來(lái)源器官移植還有很長(zhǎng)一段路要走。

如果能擁有一支馬良的神筆，在體外“畫(huà)出”緊缺的器官，這是中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員阮長(zhǎng)順的科研夢(mèng)。阮長(zhǎng)順及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)先進(jìn)的生物3D打印技術(shù)，可以達(dá)到接近這支神筆的功效。他們將細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)材料開(kāi)發(fā)成3D打印墨水，利用正負(fù)電荷相吸原理，讓一種材料帶有弱正電，另一種材料帶有弱負(fù)電，通過(guò)相互吸引完成堆積，讓打印出來(lái)的器官既不松散也不擁擠。同時(shí)，通過(guò)材料設(shè)計(jì)和打印工藝優(yōu)化，給細(xì)胞搭建更好的環(huán)境，將細(xì)胞的的存活率從50%提高到90%以上。同時(shí)，他們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)驗(yàn)證了，所打印出來(lái)的含細(xì)胞的結(jié)構(gòu)體，在體內(nèi)可以顯著地促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)修復(fù)。但要在體外人造出完全替代人體器官的組織，實(shí)現(xiàn)其完整功能，我們還有很長(zhǎng)的路要走，阮長(zhǎng)順補(bǔ)充道。

張威：巧用體外診斷“抓兇破案”

近期甲流和諾如病毒高發(fā)，一旦發(fā)生感染要如何搜取蛛絲馬跡，制定針對(duì)性治療方案?巧用體外診斷，能幫你抓到兇手，順利“破案”。中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所張威研究員的研究領(lǐng)域便是體外診斷儀器技術(shù)。

臨床醫(yī)生診療所需的70%左右的醫(yī)療與健康決策信息，都依賴于體外診斷。甲流、諾如病毒甚至艾滋病等傳染病，大多是由細(xì)菌、病毒等病原體引起的，而每一種病原體都有特異性的核酸片段，核酸檢測(cè)這種體外診斷手段是鑒定病原的最直接證據(jù)。檢測(cè)的核酸信息越多，證據(jù)鏈越完整，越能全面解析病情，制定治療方案。我國(guó)三甲醫(yī)院每天的門診量大約是1萬(wàn)多人次，一年約400多萬(wàn)人次。核酸檢測(cè)儀器市場(chǎng)基本被進(jìn)口的設(shè)備壟斷。

張威及其團(tuán)隊(duì)建立了一整套完全自主高靈敏核酸檢測(cè)的技術(shù)，從核心芯片、關(guān)鍵部件到儀器模塊，部署了多項(xiàng)專利。在芯片、溫控和光學(xué)檢測(cè)等方面更是實(shí)現(xiàn)了“多、快、準(zhǔn)、全”的技術(shù)突破。“如今我們的檢測(cè)儀器可以說(shuō)實(shí)現(xiàn)了真正的逆襲，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)反超進(jìn)口儀器，甚至達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。這些儀器目前已經(jīng)完成了注冊(cè)檢驗(yàn)，很快就可以跟大家見(jiàn)面了。”

每人5分鐘科學(xué)Talk結(jié)束后，主持人黎耕繼續(xù)與6位嘉賓展開(kāi)了圓桌對(duì)話，就各位嘉賓相關(guān)的研究領(lǐng)域發(fā)起科學(xué)追問(wèn)。隨后通過(guò)盲盒抽問(wèn)和現(xiàn)場(chǎng)觀眾提問(wèn)，各位科學(xué)家就“雞娃”、“職業(yè)焦慮”等生活類話題展開(kāi)討論，現(xiàn)場(chǎng)有趣有料、爆梗不斷。

本場(chǎng)活動(dòng)的主持人中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員黎耕，以幽默風(fēng)趣的主持風(fēng)格帶領(lǐng)大家深挖科學(xué)背后的故事，引發(fā)現(xiàn)場(chǎng)觀眾共鳴。

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(通訊員：雷錦萍 供稿單位：廣州物聯(lián)網(wǎng)研究院)