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FRP玻璃鋼復合材料論壇

標題: 中國基礎研究十年回眸－－展望篇 [打印本頁]

作者: linky 時間: 2011-5-27 23:02
標題: 中國基礎研究十年回眸－－展望篇
進入21世紀以來，許多國家都將發展基礎研究作為科技發展戰略的重要內容進行全面部署。國家之間的競爭逐漸前移到基礎研究階段，如何重新認識基礎研究的地位和作用已成為各國政府科技政策的熱點問題。主要創新型國家紛紛出臺了新的科學政策，制定了相應的科學發展規劃。特別是在全球金融危機的背景下，經濟發展放緩，政府財政緊縮，如何通過加強基礎研究尋求經濟社會發展的新機遇，發展新的經濟增長點，為國家振興奠定新的基礎，成為世界各國的優先選擇。
值此關鍵階段，我國必須在科學基礎研究方面有所作為，立足于解決當前面臨重大瓶頸問題和引領未來發展的需求，力爭在若干科學前沿熱點上取得重大突破，才能為我國經濟社會的可持續發展奠定堅實的基礎。
——編者
“軟硬兼施”的材料科學
今年年初的國家科技獎勵大會上，材料科學家師昌緒因其研發高性能戰斗機發動機材料的貢獻，獲得了國家最高科學技術獎。幾十年來，師昌緒研發的幾個系列的耐熱合金材料，用在中國制造的飛機發動機上，縮小了與世界一流水平的差距。
人類社會的發展水平，是以材料為主要標志的。材料科學是多學科交叉的結晶，是一門與工程技術密不可分的應用科學。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。
無論是比鋼還強、比蜘蛛絲還細的纖維，還是能自動修補的智能塑料；無論是有彈性的陶瓷，還是絕對平滑的鏡面，現代社會，材料科學能做到的奇跡越來越多，也越來越成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。
近二十年來，材料科學技術的發展異常迅猛，材料科學與生命科學、信息科學、環境科學等共同構成了當代科學技術的前沿。據國際模具及塑料供應商協會負責人羅百輝介紹，當前材料科學技術研究開發主要包括微電子材料、新型光電子材料、生物醫用材料、先進復合材料等十幾個前沿領域，內涵極多。
目前中國的材料科學研究水平位居世界前列，有些領域甚至居于世界領先水平。未來中國將繼續提高在材料科學領域的研究地位。
復合材料是結構材料發展的重點，主要包括樹脂基高強度纖維復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料及碳碳基復合材料等。表面涂層或改性是另一類復合材料，也具有廣闊的發展前景。
功能材料將與器件相結合，趨于小型化與多功能化。材料與器件的制備控制在原子尺度上，將成為發展的重點。
低維材料具有體材料不具備的性質。例如零維的納米級金屬顆粒是電絕緣體及吸光的黑體，以納米微粒制成的陶瓷具有較高的韌性和超塑性；納米級金屬鋁的硬度為塊體鋁的8倍；作為一維材料的高強度有機纖維、光導纖維，作為二維材料的金剛石薄膜、超導薄膜等都顯示出廣闊的前景。
半導體、激光、紅外、光電子、液晶、敏感及磁性材料等信息產業的基礎材料將更加多樣化。高溫超導材料也預計在20世紀末達到產業化。
生物材料將得到更多應用和發展。一是生物醫學材料，可用以代替或修復人的各種器官、血液及組織等；另一是生物模擬材料，即模擬生物的機能，如反滲透膜等。
比如說，由于材料科學的發展，現在已經有了人造皮膚和人造骨骼，用于移植，完全能替代人體自生的材料。人造器官也已經出現在科學家的視野中。自從有了各種先進材料制成的膜，淡化海水、凈化污水等任務已經不再艱難。
“以小搏大”的納米科學
鉆進人體器官，檢查和治療病灶的機器人；過濾掉水中細菌的超細膜網；存儲量增大了二十倍，耗電卻減少兩百倍的內存……這些都是納米科技領域已經實現的成就。未來納米科學研究，還會帶給人們更多驚喜。
1990年，IBM公司的科學家成功地對單個的原子進行了重排，他們使用一種稱為掃描探針的設備慢慢地把35個原子移動到各自的位置，組成了IBM三個字母。這成為納米技術的開始。中國科學家迅速跟上這一趨勢，并踏入該領域的世界第一集團。
1納米是1米的10億分之一。納米科技可以分為三個方面：一個是納米材料，一個是納米器件，另一個方面就是納米尺度的檢測和表征。應該說，納米科技的發展藍圖中，對人類影響最大的就是納米器件。
所謂納米器件，就是指從納米尺度上，設計和制造功能器件。有人曾預計，微米級的信息技術到2010年時會走到盡頭，就是說進一步的發展會受到物理的局限。根據美國半導體協會的預計，整個器件的尺度可以小到100納米，而電子器件小到100納米時，量子效應就會起到很重要的作用，這時就需要用全新的理論和方法來構建新的納米器件。
由微電子器件對人類產生的重大影響不難想象納米器件會對人類產生怎樣的影響：計算速度更快、存儲密度更高、能耗大大減少等。
三星公司已經投入生產的20納米級閃存，容量達512GB，存取速度比之前的閃存更快；而臺灣最近研制的9納米級內存，在一平方厘米大小內能存儲一個圖書館的信息量。
中國研制成功的納米膠囊機器人，在一個膠囊大小的空間內容納了傳感器、攝像頭和微型芯片、無線傳輸裝置，在人體內最多可拍攝5萬張圖片傳給醫生。
還有，中國國家納米科學中心海外部主任王中林等最近發明了半根小指頭大小，薄如一張紙的納米發電機。只要按壓它，就能產生電能，大小足以點亮一臺小型液晶屏幕。三五年內，納米發電機就可以真正應用在保健設備、個人電子產品以及環境監測設備上。
納米材料的應用同樣神奇。利用比頭發絲還細的碳納米管薄片制造出的揚聲器能夠發出聲音，同時也可以消除噪聲，這種屬性對于潛艇來講無疑是最為理想的，利用這種特性，潛艇聲吶能夠探測海洋的深度，同時也能夠令己方潛艇對敵方隱身。
南非科學家制造出的納米“茶葉袋”，其內裝的“茶葉”是內部涂敷薄薄一層生物殺菌劑的微細的納米管，可以殺死所有致病微生物。哪怕是污染最嚴重的水，經過濾袋過濾后，都可以變成安全飲用水。用被病原體高度污染的河水做實驗，過濾出來的水是完全干凈的。這種高科技、低成本、易處理的水過濾袋將很快實現商品化。
另外，納米技術的發展也會對生命技術產生重大的影響，對環境、能源等很多方面都會產生重大影響。所以科學界預計納米技術是未來可能會取得重要突破的三個領域之一。
創造生命的合成生物學
人類已經發現了利用各種各樣生物的辦法，人類也能夠做到讓生物向著有利人的方向變異，但能不能把生命在實驗室或工廠里制造出來呢？
2010年夏天，美國科學家文特爾的創造震驚了世界。他合成了名為“辛西亞”的細菌細胞，這個細胞的一切構件都是人制造的。辛西亞就是“合成物”的意思。
文特爾的成功，再次引發了世界對合成生物學的興趣。合成生物學是伴隨著人類基因組計劃的成功實施、在21世紀初興起的生物學研究領域和工業生物技術領域最有活力的前沿技術之一。
從最基本的要素開始一步步建立零部件，重塑生命，正是合成生物學這一新興科學的核心思想。該學科致力于從零開始建立微生物基因組，從而分解、改變并擴展自然界在35億年前建立的基因密碼。
科學家們嘗試著利用基因的序列信息和人工合成DNA，去改裝細胞的新陳代謝路徑，從而使得細胞具有全新的功能，例如生產化學物質和藥品。他們的最終目標是嘗試從無到有地構建基因——以及新的生命形式。
打個常用的比方，生命是一臺電腦，基因組就是操作系統。合成生物學希望通過重新編寫操作系統和軟件，對電腦的功能進行全新改造。但對舊的操作系統原理了解不明的情況下，改動往往會造成死機，因此需要反復試錯研究。
文特爾的嘗試很簡單，他把人造染色體作為一個“啟動裝置”植入另一個細胞的細胞壁中，因此而產生了一種可以自行復制DNA的新的生命形式。而合成生物學未來的實踐會越來越復雜。
有的科學家正努力合成出一種細菌，它能估計刺激物的距離并做出反應。這種細菌可用來探測地雷位置：當它們靠近地雷時細菌發綠光；遠離地雷時則發紅光。另一個研究方向是為成年干細胞編程，以促進某些干細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或軟骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產出人工膝關節。這些研究的前途不可限量。
合成生物學希望未來在闡明、學習并模擬生物合成的基本規律之上，通過始于基因的人工設計并構建新的、具有特定生理功能的人工生物系統，為新型藥物、功能材料或能源替代品等建立起全新的生物制造途徑，以解決人類面臨的資源、能源、健康及環境危機問題。
比如說，一些專家提出應該制造一個配備有生物芯片的細胞機器人，讓它在我們的動脈中游蕩，檢測并消除導致血栓的動脈粥樣硬化。還有一些研究人員認為，運用合成生物學還可以制成各種各樣的細菌，用來消除水污染、清除垃圾、處理核廢料等。還有人提出，可制造生物機器用來探測化學和生物武器，發出爆炸物警告，甚至可以從太陽光中獲取能量，用來制造清潔燃料。
盡管合成生物學的商業應用多數還要幾年以后才能實現，但現在研究人員已經在利用合成生物體來研制下一代清潔的可再生生物燃料以及某些稀缺的藥物。
攻克頑疾的干細胞研究
在許多無藥可醫的絕癥患者和苦苦等待器官移植的病人看來，干細胞療法是他們期盼已久的救星。在科學界看來，干細胞研究是目前最火熱和發現最頻繁的領域。中國學者近年在小鼠皮膚干細胞培養領域的成就得到了高度肯定。
干細胞(Stem Cell)是一種未充分分化，尚不成熟的細胞，具有再生各種組織器官的潛在功能，醫學界稱為“萬用細胞”。干細胞技術，又稱為再生醫療技術，是指通過對干細胞進行分離、體外培養、定向誘導、甚至基因修飾等過程，在體外繁育出全新的、正常的甚至更年輕的細胞、組織或器官，并最終通過細胞組織或器官的移植實現對臨床疾病的治療。
干細胞及其衍生組織器官的廣泛臨床應用，將產生一種全新的醫療技術，也就是再造人體正常的甚至年輕的組織器官，從而使人能夠用上自己或他人的干細胞或由干細胞所衍生出的新的組織器官，來替換自身病變的或衰老的組織器官。假如某位老年人能夠使用上自己或他人嬰幼兒時期或者青年時期保存起來的干細胞及其衍生組織器官，那么，這位老年人的壽命就可以得到明顯的延長。
干細胞分為胚胎干細胞和成體干細胞。胚胎干細胞當受精卵分裂發育成囊胚時，內層細胞團的細胞即為胚胎干細胞。胚胎干細胞具有全能性，可以自我更新并具有分化為體內所有組織的能力。
成體干細胞也起著關鍵的作用，讓成年動物的許多組織和器官，比如表皮和造血系統，具有修復和再生的能力。在特定條件下，成體干細胞或者產生新的干細胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能細胞，從而使組織和器官保持生長和衰退的動態平衡。過去認為成體干細胞主要包括上皮干細胞和造血干細胞。最近研究表明，以往認為不能再生的神經組織仍然包含神經干細胞,說明成體干細胞普遍存在，問題是如何尋找和分離各種組織特異性干細胞。
干細胞技術是生物技術領域最具有發展前景和后勁的前沿技術，已成為世界高新技術的新亮點，勢將導致一場醫學和生物學革命。干細胞技術最顯著的作用就是：能再造一種全新的、正常的甚至更年輕的細胞、組織或器官。由此人們可以用自身或他人的干細胞和干細胞衍生組織、器官替代病變或衰老的組織、器官，并可以廣泛用于治療傳統醫學方法難以醫治的多種頑癥。
現在，利用造血干細胞移植技術已經逐漸成為治療白血病、各種惡性腫瘤放化療后引起的造血系統和免疫系統功能障礙等疾病的一種重要手段。科學家預言，用神經干細胞替代已被破壞的神經細胞，有望使因脊髓損傷而癱瘓的病人重新站立起來；不久的將來，失明、帕金森氏綜合癥、艾滋病、老年性癡呆、心肌梗塞和糖尿病等絕大多數疾病的患者，都可望借助干細胞移植手術獲得康復。
上天入海的發現之旅
“神舟”和“嫦娥”上天，讓中國公眾對空間科學的關注達到了高點。空間科學以航天技術為基礎，包括空間飛行、空間探測和空間開發等幾個方面。它不僅能揭示宇宙奧秘，而且也給人類帶來巨大利益。
空間科學的研究內容之一是研究日地空間天氣的鏈鎖變化規律，研究日地鏈鎖變化對人類活動和生態環境的影響。災害性空間環境對航天、衛星、國防、通訊、導航定位、長距離管網等系統會造成破壞性影響，這些都和我們的生活密切相關。
空間科學在實際應用方面已取得了很大進展，如在通信、導航、測地、氣象觀測、遙感等方面。在空間環境中，對于研制和生產高質量的單晶、多晶、合金和非晶態材料，以及高精度的電子、光學元件和特殊藥品等，將產生巨大的經濟效益。現代空間科學技術，已發展到有可能在地球同步軌道的高度建立太陽能衛星發電站，以獲得取之不盡、用之不竭的潔凈能源。空間的開發和利用已向人類展示了美好的前景。
利用空間飛行來尋找宇宙中的生命，也是十分令人感興趣的重大科學問題。經過對行星的探測，特別是對火星的探測，尚未發現生命的跡象。但已在空間發現了30多種有機分子，其中有幾種屬于地球生命的基本物質。科學家們渴望能在星際空間找到更高級的有機分子形式。中國科學家也希望向包括火星在內的更遠空間進軍。
海洋科學研究也同樣引人入勝。正在世界三大洋上游弋的“大洋一號”，向中國傳回了種種海底的奇特影像，海底地形、礦藏和生物，都讓人類感到陌生。我們對占地球2/3面積的海洋的了解，許多方面還比不上對月亮的了解。
海洋科學是研究海洋的自然現象、性質及其變化規律，以及與開發利用海洋有關的知識體系。它的研究對象是占地球表面71％的海洋，包括海水、溶解和懸浮于海水中的物質、生活于海洋中的生物、海底沉積和海底巖石圈，以及海面上的大氣邊界層和河口海岸帶。
在海洋科學研究中，海洋觀測儀器和技術設備起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。海水的大密度和流動性，給人們的直接觀測帶來極大困難。在萬米深處，海水可以把潛水鋼球的直徑壓縮幾個厘米，人類很難在這樣大的深處活動。海水對電磁波的吸收也相當顯著,在水深200米以下，可見光波被吸收殆盡。因此，靠簡單的手段去觀測海洋深層的生物活動、海底沉積和海底地殼的組成及變化是非常困難的。即使在海洋上層，海水處于不斷的流動和波動狀態，依靠一個點上的觀測資料，也很難說明面上的情況。增加調查船只的數量固然可以擴大觀測范圍以取得大量必須的資料，但耗資巨大。因此，只有大力發展海洋觀測儀器和技術設備才能取得所需要的大量海洋資料，以推動海洋科學的發展。20世紀60年代以來,海洋科學的發展表明,幾乎所有主要的重大進展都和新的觀察實驗儀器、裝備的建造，新的技術的發明和應用，觀察實驗的精度以及數據處理能力的提高有緊密關系。
目前，中國對大洋一號等海洋科學考察設備的投入加大，蛟龍號等深海科考裝備也體現了中國研發制造的高水平。未來中國對海洋的好奇和期冀將會與日俱增。
海洋是如此富饒，它可以提供食物、能源、礦物、水源、化工原料乃至廣袤的空間，當今社會所面臨的許多問題，幾乎都可能從海洋中找到出路。隨著世界人口膨脹、資源枯竭、環境破壞等問題的日益嚴峻，沿海各國紛紛把經濟發展的目光投向海洋。

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無所不見的太赫茲光
太赫茲光波是一種新的、很奇特的電磁波。
如果能夠把X光換成太赫茲光，不僅對人體無害，你帶了什么東西都能看得一清二楚。不管你把東西藏在什么地方，都能在瞬間顯形。這方面的技術應用顯然是非常重要的。2003年美國哥倫比亞號航天飛機失事后，科學家們受命參與事故分析。他們從美國航天局提供的一塊材料著手，利用太赫茲技術做這個檢測。材料里有90多個缺陷是對安全有害的，他們檢測出了大部分缺陷，漏檢率只有百分之幾，這是目前其他方法做不到的。
X光和超聲波能發現物體的輪廓和狀態，但卻無法探測物體的化學性質，無法分辨究竟是爆炸物還是藥品。然而太赫茲光卻有這種本領，對目前人類發明的上百種爆炸物和地雷，太赫茲光已能識別出其中的50多種。最新的進展，是在30米左右，太赫茲光就能準確地發現爆炸物品。這對國際上的反恐斗爭具有特別重要的意義。據專家估計，在未來3年至5年內，太赫茲技術應用最廣泛的領域首屬安檢和反恐。
探究宇宙的暗物質研究
去年年底，中國首個極深實驗室在雅礱江錦屏水電站2500米厚的巖石下投入使用。清華大學和上海交大的科學家，在這個不會被宇宙射線干擾的地洞里尋找暗物質。
暗物質是既看不見又不發出輻射的物質，占宇宙的90%。盡管它們不可見，但通過它們對星系和銀河星團的引力作用結果，可以推斷它們確實存在。2007年，科學家甚至通過引力透鏡得到了一張宇宙暗物質分布圖。但我們對暗物質是什么，還一無所知。
在宇宙學中，暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。暗物質存在的最早證據，來源于對球狀星系旋轉速度的觀測。現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所認知的部分大概只占宇宙的4％，暗物質占了宇宙的23%。還有73%，是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。暗物質的存在，可以解決大爆炸理論中的不自洽性，對結構形成也非常關鍵。暗物質很有可能是一種（或幾種）粒子物理標準模型以外的新粒子。
對暗物質和暗能量的研究，是現代宇宙學和粒子物理的重要課題，也可能是最為基礎的科學研究。雖然和應用相去甚遠，但它仍然能引起人類的興趣，因為它是我們認識宇宙基本結構的關鍵。

（科技日報）

作者: 玻纖銷售員 時間: 2014-1-3 12:59
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