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全新视野



撰文Gio Braidotti 博士

 

如果这个国家最杰出的人才齐聚在一个专门设立的合作场所,那么一切皆有可能。

 

人们曾经不断询问新千年会带来哪些新生事物。如今的研究人员为了回答这一问题,积累了众多答案,他们希望借助新型高级材料实现重大技术突破。

在澳大利亚的一栋新建大楼中,工程师们正在探索众多可能性,其中之一就是极其纤薄的太阳能电池,薄到能够通过滚筒印刷工艺直接印到塑料上,确保太阳能可以用于各种表面。有些材料可以让人体再生已老化或患病的骨骼和器官。物理学家可以创造出具有非凡特性的全新物质状态,辅助定位矿床的原子技术就是其诸多作用的一大体现。

蒙纳士大学的领导层非常清楚,学校的工程师可以为医学做出巨大贡献,物理学家也正在研制可能会影响所有研发工作的机械。为了进一步推动这些合作项目,学校决定建立“新视野中心”(NHC),以便让不同领域的研究者齐聚一堂碰撞思维,探索新的可能性。

这里的研究工作主要基于材料工程系主任 George Simon 教授所提出的未来“大挑战”。

这些课题要求在工业、制造、能源和医疗研究中采用更有效、更智能且更具可持续性的材料和技术。

“NHC 的独特之处在于,它将不同院系的人集中在同一屋檐下,却不按院系分组,而是以研究课题分类。”Simon 教授说。同样参与其中的还有澳大利亚政府资助的研发机构——联邦科学与工业研究组织(CSIRO)的研究人员。

Simon 教授解释说:“具有国内及国际重要性的选定研发课题是构建这栋大楼中研究体系的框架,分为:未来制造业、生物工程、可再生能源以及建模与模拟。蒙纳士大学实力雄厚的医学与生物科学学院让我们如虎添翼,推动我们在医学与工程学交叉领域的发展。”

这些协同项目正是 Kerry Hourigan 教授特别感兴趣的工作,他是蒙纳士大学生物工程系的系主任,与众多医疗研究人员、临床医师及物理学家保持着长期合作关系。他的目标就是:推进疾病诊断与治疗的发展。

一个办法就是开发功能更广的成像技术。“例如,动脉粥样硬化引起的心脏病一般始于青少年阶段,但可能在数十年后才出现症状。与之类似,囊胞性纤维症和肺癌等疾病通常也要尽早干预,才能成功治疗。”

目前正在开展有关这些方面的研究,其中包括三维 X 射线成像技术、模拟血液循环及模拟组织变形。

但仅有成像技术不能解决问题,还要开发出纳米级疗法,将药物直接送至病灶的精确位置,包括癌症组织。

Hourigan 教授说:“我们对组织工程学和再生药物特别感兴趣,这一领域也需要充分利用澳大利亚在干细胞研究方面的卓越优势。”

“我们想用新的生物材料作为基质,以此来修复骨骼、心肌、大脑神经组织和肺组织。这种技术可以让植入的细胞长成功能健全的替换组织。一旦替换组织形成,基质就会自动降解消失。”

 

迈向新视野

NHC 大楼的倾斜外墙十分引人注目,它位于墨尔本的一家顶级科研园区。这里是高级制造业的聚集地,也是蒙纳士大学在墨尔本东南城区的校区所在地。大楼紧靠 CSIRO 园区,这片科研中心区域还汇集了澳大利亚同步加速器设施中心、墨尔本纳米制备中心(Melbourne Centre for Nanofabrication)、蒙纳士电子显微镜中心(Monash Centre for Electron Microscopy)和维多利亚有机太阳能电池协会(Victorian Organic Solar Cell Consortium)等重要机构。

耗资逾 1.5 亿澳元建造的 NHC 由澳大利亚政府、蒙纳士大学和 CSIRO 共同筹建,这是澳大利亚有史以来规模最大的科研建筑,也是第一栋能量密度获得 Education Design 六颗绿星评级的大楼。

届时将有 400 名蒙纳士大学的员工和学生,以及 100 名来自 CSIRO 材料科学与工程学部门的研究人员在此开展工作。该部门致力于在涂层、复合材料和 RAFT 领域达到全球领先水平(RAFT 工艺旨在制造出更优质的聚合物,曾造出世界上第一张聚合物钞票)。

CSIRO 聚合物与分子科学研究项目负责人 Phil Casey 表示,重新分配研究人员(包括 CSIRO 表面与纳米科学研究项目的成员)可以令其真正融入各个产业。

他表示:“CSIRO 擅长攻克重大挑战,这些挑战通常需要集合生物、化学、数学和物理之间的综合知识。所以我们知道如何组建跨学科团队来解决问题。”

除了应用科学,NHC 在基础科学或者说“蓝天研究”(即短期内难以收获商业利益的研究项目)上同样实力雄厚。对于将在 NHC 开展各项实验的蒙纳士物理学院,这意味着除了开展其它工作,还能在更完善的设施环境中探索一种全新的物质状态。

 

研究无止境

蒙纳士大学物理学院院长 Michael Morgan 副教授表示,他的研究员要求 NHC 实验室在控温、隔振方面达到最严格的规格标准。

这就需要一块块放置厚达 1.55 米且不与大楼相连的混凝土板,才能防止振动影响极其敏感的玻色-爱因斯坦凝聚态实验。玻色-爱因斯坦凝聚态是物理学中充满神奇奥秘的领域之一。这涉及到一种新物态的转变,在该物态下,原子将丧失独立性而缩合成相同的量子态,既不是固体或液体,也不是气体或等离子体。

Morgan 副教授说:“物理学的基础发现具有转换成重要技术的潜力。在凝聚态物理学中,我们正在寻找具有革命性的新应用,包括不为人知的新材料、光源、更精准的器械以及操控并利用单个原子的技术。”

这一研究领域吸引了众多国际物理学家前来蒙纳士大学,其中有此前供职于美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology)的 Kris Helmerson 教授。

在蒙纳士大学,Helmerson 教授建造了能够促成、显示并操控玻色-爱因斯坦凝聚态的设备,目前正着手实现其小型化。

这套设备包含一系列纷繁复杂的激光器和磁场发生器,用于控制物质的波动形态,并在仅比绝对零度高出 500 亿分之一度(或 50 毫微开尔文)的操作室中冷却、减缓、捕获原子。

Helmerson 教授说:“原子云在这样的极低温度下会显示出肉眼可见的量子特性,使我们能够绘制特性图并加以利用。原子设备就是这种技术的应用之一,其利用原子的量子特性具有开发革命性技术的前景,其重要性不亚于过去 50 年来激光带给普通光学技术的变革。”

若将玻色-爱因斯坦凝聚态用于类似激光陀螺仪的传感器,可发现其对旋度和加速度的敏感性远高于激光器,物理学家可以借此测绘重力的细微改变。

Helmerson 教授补充说:“这些重力地图具有极为实用的功能,例如可以辅助定位矿床。”

Simon 教授则表示,这些革新使得 NHC 成了检验周边制造产业园区相关工艺的试金石。

他说:“材料是任何新产品或新工艺设计过程中的关键元素,我们有能力从各种层面探究并使用材料,从宏观角度到原子级别,无所不包。我们希望利用这些技术来满足人们不断提高的材料需求,包括要求材料更智能、更实用而且拥有更多新的特性,例如,自我修复、感知环境,或者性价比高、轻巧或坚韧,当然同时拥有多种这些特性的材料自然也更受青睐。”

蒙纳士社交媒体

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