解决人类难题、改善地球环境、拯救人类生命——科学是一切创新和进步的基础。

　　预测哪些科学进展会改变世界，其实是一个不讨好的游戏，因为，谁知道未来会是什么样子？不过，每年都有一些重要研究，会让我们兴奋不已——比如，价格低廉，却又极其高效的基因编辑技术。

　　2014年的重要突破：对活细胞进行重编码、让实验动物变得透明、用声波给电子产品供电、用唾液发电、可以根据使用者视力自动调整画面的显示器、可以造出几乎没有电阻的材料的“原子积木”……让我们一起期待，这些技术会在未来几年，给世界带来怎样的改变。

　　1、“原子积木”搭建新奇材料——新一代材料科学家正受乐高积木的启发，将这种组合方式应用到纳米世界。

　　这里的积木组件是一些层状材料。这些材料最薄可以达到仅有一层原子，可以按照设计好的结构，以精确的顺序一层一层地叠加到一起。这种前所未有的精密组合方式，能够制造出全新的物质，这些物质具备前所未有的电学和光学性能。科学家们进一步设想，可以利用这些物质，制造出几乎没有电阻的导电材料，运算能力更强大、运行更快的计算机，以及可弯曲、可折叠而且非常轻的可穿戴电子器件。

　　这些突破性的研究，是因石墨烯（graphene）的出现才产生的。石墨烯是一种片状结构的石墨新材料，厚度只有一个原子，其原子结构是一个个重复的六边形，看起来就像铁丝网围栏一样。2004年，我和英国曼彻斯特大学的同事从块状石墨上分离出了单层石墨片——石墨烯，使用的方法是利用胶带从块状石墨顶层剥离出一片片1个原子厚的晶体。过去10年间，研究人员发现了几十种可以用这个方法剥离的块状晶体，而且这样的晶体越来越多。云母（Mica）就是其中的一种晶体，还有一些具有独特名字的材料，如六方氮化硼（hexagonalboron nitride）和二硫化钼（molybdenumdisulfide）。

　　2、基因编辑更快更准更简单——一种名叫CRISPR的新技术，也许将彻底革新基因组编辑。这一技术源自细菌的免疫防御系统，比传统方法更快速、更便宜、更简单。

　　这种技术名叫CRISPR，是“clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats”（即成簇、规律间隔的短回文重复序列）的缩写。利用这种序列，细菌可以对侵袭过它的病毒产生“记忆”。自从日本科学家20世纪80年代末发现CRISPR之后，科学家就一直在研究这种奇怪的基因序列。然而，直到杜德娜和卡彭蒂耶偶然注意到一种名叫Cas9的蛋白，CRISPR才显示出它作为基因组编辑工具的巨大潜力。

　　3、可编程的细胞——通过轻轻地挤压细胞，就可以让一些大分子或纳米材料进入细胞，进而改变细胞的运作。

　　如人类能让体内的细胞按照我们的要求去运作，比如让它们适时地合成胰岛素，或去攻击肿瘤，那么许多健康问题将会迎刃而解。

　　化学工程师阿蒙•沙雷(ArmonSharei)发现，水枪的冲击使部分细胞的外形产生了短暂的畸变。令人吃惊的是，当细胞的外形处于畸变状态时，注射的物质成功地进入到了细胞内。为此，在显微流控领域的奠基人之一克拉夫•F•延森(Klavs F. Jensen)，以及另一位生物领域的先锋人物罗伯特•S•兰格(Robert S. Langer)的带领下，沙雷开发出了一种以硅和玻璃为材质的微芯片。这种芯片的表面，预先蚀刻了供细胞流动的通道，随着细胞流动的方向，通道逐渐收窄，直到细胞无法继续向前行进。此时，被卡住的细胞因受挤压而产生形变，细胞膜上便会出现小孔。这些小孔的直径，足够许多可改变细胞运作的介质通过，如蛋白质、核酸、碳纳米管等。

　　这项技术甚至能将介质成功引入脆弱的干细胞和免疫细胞中，这些细胞无法经受以前那种挤压方式的摧残。“这项技术适用的细胞种类之多，让我们都始料不及，”沙雷介绍道。

　　自这项技术问世以来，沙雷所在的研究团队已经开发出了16种适用于不同细胞的芯片。当然，还会有更多的芯片陆续问世。而且，在现有每秒挤压50万个细胞的基础上，相关设备的处理效率还将更上一层楼。该团队已经成立了一家名为“SQZ生物科技”的公司，将这项技术推向市场。法国、德国、荷兰及英国的科研人员有望很快用上该技术。

4、透明动物——通过注入特殊化合物，可以使动物变得通体透明，这项技术将成为生物医学领域发展的助推器。

　　维维安娜•格勒迪纳鲁(VivianaGradinaru)与已故神经免疫学家保罗•帕特森(PaulPatterson)实验室的同事一起，找到了合适的方法：首先对啮齿类动物实施安乐死，并将甲醛注入其体内，利用心脏将甲醛泵至动物全身；之后，剥去动物的皮肤，从血管注入一种名为丙烯酰胺单体(acrylamide monomers)的白色无味化合物。丙烯酰胺单体可在动物体内建立一个具有支撑作用的水凝胶网，取代动物组织内的脂肪，并使其呈现无色状态；两周之内，这种物质可以使一只小鼠变得通体透明。

　　这种方法诞生后不久，他们便开始尝试着绘制透明小鼠的完整神经网络。透明器官让他们梦想的不少研究都成为现实，比如分辨周围神经——这类人们从前知之甚少的细微神经束。再比如向透明小鼠尾部注入带有荧光标记的病毒，观察病毒如何透过血脑屏障进入小鼠的大脑。“掌握这项技术，就好比拥有了洞察世间万物的‘透视眼’，”格勒迪纳鲁介绍道。透明器官一方面可降低实验中人为误差的概率，另一方面可提高实验效率，丰富实验数据，同时减少实验动物的使用数量。格勒迪纳鲁愿意向任何有需要的实验室提供她的水凝胶制作方法。下一步她将把这一技术推广到癌症以及干细胞领域的研究上。

　　5. 体液发电——唾液也许会成为医用设备的新能源

　　默罕默德•穆斯塔法•侯赛因毕生致力于极微型装置的研发。当他在2010年着手研究高效、可再生的发电设备，为偏远地区的净水或医疗诊断提供充足的能源时，他首先考虑的因素就是小巧。不过，利用唾液驱动燃料电池，却是他在研究开始时完全没有想到的。

　　这个“吐口唾沫”的点子来自于当时侯赛因实验室的同事、当时正在攻读博士学位的贾丝廷•E•明克(Justine E.Mink，现为陶氏化学公司的研究员)。那时，明克正尝试开发一种可以植入人体，安放在胰腺附近监测糖尿病人血糖水平的微型装置。微生物燃料电池——这种通过向细菌提供有机物(唾液中也富含有机物)，利用细菌代谢产生电流的方法映入了她的眼帘。碰巧她和侯赛因的项目都可以利用这种方法，因此两人找来高导电性的石墨烯电极，在上面附着了唾液细菌，在一周之内，这些细菌产生了1微瓦(百万分之一瓦)的电量。

　　虽然1微瓦看起来微不足道，却足以驱动诸如芯片、诊断工具、或是明克的糖尿病监测仪这样的微型设备了。

　　6、简易快速的纳米显微镜——一种可以拍摄纳米粒子的电子显微镜能快速检测药物、爆炸物中的分子信息。

　　具备纳米尺度分辨率的电子显微镜已经得到了广泛应用，但其价格动辄高达数百万美元，准备样品也非常麻烦。对于专业的研究型实验室来说，这样的状况还能够接受，但如果要快速扫描产品样品，来查看内置的微尺度水印呢？

　　纽约大学物理学家戴维•格里尔(DavidGrier)和同事研制出的一种新型全息显微镜，就能解决这一问题。他们以商用蔡司(Zeiss)显微镜为基础，将它的白炽灯光源换成激光光源。激光照射到待观察的样品上，然后发生散射，形成由激光束和散射光互相干涉而成的三维图像(即全息图)，并由摄像机录下。

　　数十年以来，科学家已经可以生成微尺度物体的全息图像，但从中提取出有用的信息总是很困难。这就是格里尔这项发明的价值所在。他的研究小组编写了一种软件，能够快速求解描述光在球体上散射的方程中的未知参数。这些参数中包含了关于散射物体的所有信息。由于这种显微镜具有纳米级的分辨率，研究人员得以追踪胶体中悬浮的粒子(例如涂料样品中漂浮的纳米珠)。同时，它的成本只有电子显微镜的十分之一。

　　格里尔希望这种仪器能够提供一种快速而经济的方式，用来观察产品内部的单个粒子。设想一下，涂料桶或洗发水瓶中每滴液体都含有标注了产品生产信息的微粒——就像指纹一样。格里尔还补充道，这种显微镜同样容易“读”出“加盖”在药物、爆炸物及其他物品中的分子信息。

7、视力矫正显示屏——可用于智能手机和iPad上的显示屏，能通过自身调节来适应用户的视力状况——再也不需要戴眼镜了。

　　美国斯坦福大学电气工程学助理教授戈登•维茨斯坦(Gordon Wetzstein)与麻省理工学院(维茨斯坦曾在这里工作)及加利福尼亚大学伯克利分校的同事们合作，维茨斯坦研制出了这种显示屏。在智能手机或平板电脑的标准高分辨率显示屏的基础上，他主要做了两项改动：一是打印一种低成本的、布满小孔的透明薄膜，覆盖在屏幕上；二是为智能手机或平板电脑编写算法，来判断用户相对于显示屏的位置，并根据他(她)的验光处方来调整投射的图像。当调整过的图像通过显示屏透明薄膜上的小孔阵列时，在软硬件的共同作用下，屏幕上会产生误差，正好同视力误差相抵消，在用户眼中形成清晰的画面。这种显示屏能为近视、远视、散光和其他更为复杂的视力问题提供相应的矫正。2014年8月，在加拿大温哥华举行的计算机图形图像特别兴趣组(Special Interest Group for Computer Graphics)年会上，研究人员首次展示了这项技术。

　　8、声波充电 (无线充电技术）——利用超声波，可以通过空气远距离传输电力，效率远高于现有的无线充电技术，这将有助于我们彻底摆脱电线的限制。

　　梅瑞狄斯•佩里(MeredithPerry)了解到，已经有基于磁共振和电磁感应的无线电力传输技术了，但它们的传输距离有限。限制它们的是平方反比定律(inverse square law)，即电磁辐射的强度与辐射源的距离的平方成反比。

　　然而，机械振动却不存在这个问题。使用压电转换器从空气中获取振动能量，就可以将机械能转化为电能，这看起来是一个更好的主意。因为声音其实就是振动的空气粒子，所以从理论上来说，它应该能够传输能量。而安全、安静且高能的超声波是个完美的选择。

　　目前，他们已经开发出了uBeam发射机的原型样机。它相当于一台定向扬声器，可以将超声波聚焦，产生一个能量“焦点”；与电子设备相连的接收器负责接收这股能量，并将其转化为电能。她计划在两年内推出第一批产品。

9、储存热能的电池——基于热耦合效应的新型电池，可以将白白流失的热能转化为电能，这一技术拥有巨大的应用前景。

　　工业生产中，每年都有100亿瓦特的电量以热能的形式被浪费掉了，而这些能量足够为1000万户家庭提供照明用电。通过热电效应(thermoelectric effect)，就可以利用温差发电，把这类热能转化为电能。但是，这样也只能利用其中的一部分。麻省理工学院的博士后研究员杨远(Yuan Yang)解释道：这是因为几十年来的研究都表明，需要达到500℃以上的温差，才能产生出具有实际使用价值的能量。

　　杨远和他的导师、斯坦福大学的陈刚(GangChen)，以及博士后研究员崔屹(Yi Cui)和李硕祐(SeokWoo Lee)一道，研发出了一种温差仅为理论值1/10(低至50℃)的发电技术。这种技术的关键是利用了热耦效应(thermogalvanic effect，与热电效应有类似之处)。在这个过程中，材料整体的温度都随电压而变化，而非仅在电池中产生温度差。研究团队使用不带电的电池芯，配以铜电极，在高温时进行充电，然后再让它们冷却——神奇的事情发生了，电池的放电电压比为它们充电时所用的电压更高。换句话说，用于加热电池的能量被电池以电能的形式收集了起来。

　　直到近两年，电池电极的效率才达到能将如此小的温差转化为电能的程度，杨远介绍说。而且在实现商业化前，这项技术还需要很多的研究工作来进一步完善。

　　10、新型聚合物“泰坦”——环保、高强度、可自我愈合、可回收的聚合物，将改变汽车、飞机等诸多行业。

　　化学家珍妮特•加西亚(JeannetteGarcía)是IBM公司阿尔马登研究中心的科学家。在几位同事的帮助之下发现令人吃惊的材料是一类新型热固性聚合物。这是一类极为坚固的塑料，能用于从智能手机到飞机机翼等众多产品中。虽然在全球每年生产的聚合物中，热固性材料就占到了三分之一，但是它们很难被回收利用。而加西亚发现的新材料(被称为“泰坦”)，是目前为止发现的第一种可回收的、具有工业级强度的热固性材料。传统热固塑料无法回收重塑，而上述新型聚合物可以通过化学反应进行重新加工。在2014年5月的《科学》(Science)杂志上，加西亚和同事介绍了他们的发现。

　　预计，全球对耐用且可回收的塑料产品的需求将很快大幅攀升。到2015年，欧洲和日本都将要求厂家在生产汽车部件时，可回收材料的比例要达到95%。“‘泰坦’恰恰可以完美地满足这种需求，”加西亚说。此外，她相信这种新材料最终还能推广到更广泛的应用中，包括抗蚀抗菌涂层、给药设备、粘结剂、3D打印、水净化领域等。

　　“泰坦”还有其他优点。加西亚和同事发现，这种材料还有第二种形态——在低温时，它会呈现出可自愈合、类似凝胶的形态。这种形态被研究人员称为“海德鲁”(Hydro，意为水)。“如果将海德鲁切成两半，再放回一起，它们会立刻互相粘结，”加西亚介绍说。这样，“泰坦”就可以用作粘合剂，或者自修复涂料，其他相关的化学产品也将陆续被开发出来。“(我们发现的)不仅仅是一种新型聚合物，而且还是一种新的聚合物生成反应。”加西亚说。