仰观宇宙星体,俯察掌上电池——读懂2019年诺贝尔科学奖

仰观宇宙星体,俯察掌上电池——读懂2019年诺贝尔科学奖
谭衷 2019年诺贝尔物理学奖得主米歇尔·马约尔(左)和迪迪埃·奎洛兹 2019年10月7日至9日,一年一度的“诺贝尔颁奖季”发布了三大科学奖——生理学或医学奖、物理学奖、化学奖的得主。从世界学的庞大结构,到小小手机的能量来历,本年摘取桂冠的科学家们做出了怎样的不一般奉献,他们的发现又有何微妙? 氧气感应,决议细胞怎么“向死而生” 10月7日,2019年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,威廉·凯林、彼得·拉特克利夫、格雷格·塞门扎由于发现了氧气感知通路(生命体对缺氧和富氧做出不同反响的分子机制)而获奖。 “这是一项很巨大的发现,细胞对氧气的呼应关于生命的安危十分重要。”有学者标明,面对缺氧的存亡要挟时,它给了机体“向死而生”的时机。 要了解这一诺奖效果,需求先记住两个专有名词:缺氧诱导因子(HIF)、促红细胞生成素(EPO)。 当机体感受到氧气供给缺乏时,HIF就好像一杯醒脑咖啡,激活体内基因的转录,使得机体打起“十二万分精力”应对低氧环境,比方召唤来EPO,要求红细胞前来声援。正是研讨缺氧怎么引起EPO发生,把拉特克利夫和塞门扎引向了HIF的发现,以及整个氧气感知通路的完善。 其实,即便是不缺氧的状态下,咱们的体内也有HIF在不断发生——它并不是在缺氧的时分才发生,而是缺氧的时分才富集。正常情况下,HIF一方面不断发生,另一方面不断降解。这其实是十分浪费资源的,与生命体系“集约为本”的精力不太相符。这也阐明HIF在机体里十分重要,不容有一刻供给不上。 HIF的重要性还体现在它的迅疾富集速度上。一旦机体意识到缺氧,比方脑梗、心脏缺血等,HIF会敏捷在细胞里堆集,只需求四五分钟就能够到达很高的浓度。 这一效果为何重要?高级生物都经过有氧代谢获取能量,生命的进程是将食物转变成能量,并把氧气转变为水。研讨标明,人类许多疾病的发生都是由于氧气的运用功率不高构成的。发现人体内的氧气感知通路,不只意味着发现了一种机体自带的维护机制,还意味着取得了调控氧气运用率的钥匙。 为世界编写“生长日记”,为地球寻觅“远方亲属” 苍茫世界,咱们从哪里来?世界中还有没有其他相似地球的星球也演化出生命?由于对这两个根本问题的探究成果,三名科学家共享了2019年诺贝尔物理学奖。其间,来自美国的詹姆斯·皮布尔斯因世界学的基础研讨获奖,来自瑞士的米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹因初次发现太阳系外行星获奖。 “咱们从哪里来”,可谓人类一大永久诘问。正是以皮布尔斯为代表的一批科学家上世纪60年代以来奠定的根本结构,让旨在更好了解这一问题的世界学成为一门现代科学,并迎来了长达50年的“黄金时代”。 大约140亿年前,世界在大爆破之初是炙热而密实的。自那今后,世界开端不断扩张、变冷。大爆破约40万年今后,世界开端变得“通明”,光线得以络绎其间。就在这前期辐射中,记录着关于世界诞生和演化的隐秘。 运用他创立的理论东西和运算办法,皮布尔斯将世界诞生之初留下的“蛛丝马迹”成功解码。依据他的理论能够推算出,世界中95%都是奥秘的暗物质和暗能量,咱们一般观测到的一般物质只占5%。现在,暗物质已成为世界学最具挑战性的课题之一。 许多科学前驱都曾预言,满天繁星中,一定有许多恒星也具有绕它们旋转的行星。但是那些行星距地球过分悠远,所反射的光又过分弱小,想要“看”到它们并不简单。 马约尔和奎洛兹的功劳,便是在1995年根据恒星会因行星引力改变而发生细小摇摆的理论,宣告初次在太阳系外发现一颗行星。这颗绕着约50光年外飞马座内类日恒星“飞马座51”工作的行星被命名为“飞马座51b”。有人以为这颗行星的发现为人类寻觅世界中的同伴带来了新期望;也有人称马约尔和奎洛兹为“新世界的发现者”,以为这一发现堪比哥伦布发现新大陆。 “飞马座51b”的发现点着了系外行星探究的星星之火。得益于各类观测技能的日新月异,迄今科学家们在银河系发现的行星数量已超越4000颗。 创造可充电的绿色新世界 从智能手机、笔记本电脑等消费电子产品,到电动车和风能、太阳能等大型储能设备,现在锂离子电池已成为咱们日子中不可或缺的“能量源”。 小电池大效果,这个推进人类社会行进的创造本年总算取得诺贝尔奖的认可。2019年诺贝尔化学奖由美国科学家约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和日本科学家吉野彰共享,以赞誉他们在锂离子电池研制范畴作出的奉献。 锂离子电池依托锂离子在阴阳极之间的移动发生电流。电池研制,阴阳极资料的挑选关于能效和安全性至关重要。现在最遍及的可充电锂离子电池,运用钴酸锂资料为阴极,碳资料为阳极,具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等长处。而这种电池的根本形状,便是三位获奖研讨者于20世纪70、80年代建立的。 为何想到研制锂离子电池?20世纪70年代的石油危机催生了对新能源储能的需求,电池研制构成热潮。其时正致力于超导体研制的惠廷厄姆创新地运用二硫化钛作为阴极资料存储锂离子,以金属锂作为部分阳极资料,制成一款新式电池。但由于金属锂化学特性过于生动,这种电池具有易爆破的潜在风险。 这时,古迪纳夫奉献了恰如其姓——“足够好”(Goodenough)的新创意。这位创造了诺奖取得者高龄新纪录的科学家在1980年发现,用钴酸锂作为阴极资料更适合存储锂离子。在远隔重洋的日本,吉野彰研制的阳极资料和古迪纳夫的阴极资料构成“天作之合”。吉野彰发现,石油焦炭可作为更好的电池阳极,但他找不到适宜的阴极资料。读到古迪纳夫的论文后,吉野彰振奋难抑:“他的发现给了我所需求的全部!”至此,以钴酸锂为阴极,以碳资料为阳极的锂离子电池诞生。 1991年,古迪纳夫与吉野彰协作创造的锂离子电池正式上市出售,它轻盈经用、安全可靠,在功能下降前可充放电数百次。 诺贝尔委员会以为,锂离子电池不只有助于咱们从由化石燃料驱动的日子方式转向由电能驱动的日子方式,关于应对气候改变也至关重要。