冷却-低温科学

克里斯——南安普顿大学新近投入使用的价值数百万英镑的x射线成像设备为从气候变化到进化的一系列领域提供了新的见解。他们在现场安装的综合设备不仅意味着很多东西都可以被快速扫描，而且也非常大，我的意思是认真大的东西是可以研究的——他们研究的对象从恐龙遗骸到飞机碎片，甚至鳄鱼的粪便。简·莱克一直在调查这一切。

三维x射线视觉不再只是像超人这样的虚构人物的领域。对于南安普顿大学的伊恩·辛克莱教授和他的团队来说，这只是一天的工作。使用一种叫做计算机断层扫描(CT)的东西，他们可以发现自己在做任何事情，从凝视一个巨大的海洋生物化石的颌骨到观察一个垃圾填埋场不那么吸引人的错综复杂的地方。

这个术语断层扫描的意思是通过切片来观察物体，但是当我们进行计算机断层扫描的时候，它的好处是你不需要把物体切开来观察这些切片。事实上，如果你能一次把一些东西切成很多片，你就能得到里面的3D图像。该中心提供了英国大学中最大的高能、高分辨率计算机断层扫描能力。这项工作的进一步重要推力不仅仅是规模。它是我们可以输入的样本数。除了这台非常大的扫描机，我们还有另一台设备放在它旁边，可以处理较小的物体。在那台机器中，我们基本上可以以比英国或世界各地的类似系统快十倍的速度进行扫描。不仅仅是扫描仪的问题。我们将计算硬件和分析软件集成到一个完整的工作流程中，在这个流程中，端到端的整体生产力将比其他地方更快。

简-该中心是由工程和物理科学研究委员会支持的。它被用于一系列令人难以置信的项目，包括斯塔福德郡宝藏的研究，这是有史以来发现的最大的盎格鲁-撒克逊黄金，植物根系的结构以及它们如何应对未来的气候变化，以及人类健康和疾病的发展。然而，即使是这个列表也不能涵盖所有内容……

伊恩:我们有垃圾，真正的垃圾从垃圾填埋场被拉上来。了解垃圾填埋场的行为是一个非常重要的工程挑战。我们在各种应用结构的复合材料性能方面做着创新的、绝对世界领先的工作。我们使用CT的水平可以看到飞机的机翼，如果我们真的，真的需要;找到单个碳纤维。我们可以理解复合结构，加载它们，导致它们失效，理解这些失效，并产生新的模型，这些模型将可靠地允许工程师用这些材料进行设计，以一种他们目前无法做到的方式。

Jane -在最大的扫描仪4吨的门后面，最令人兴奋的项目之一是在英格兰侏罗纪海岸发现的一个巨大的上龙头骨化石。

上龙是一种可怕的野兽，大约有17米长。这些碎片是大块的岩石，把头骨分解成的小块，扫描它们，得到确切的结构，然后用数字技术重建它，这是非常有趣的。我们还可以看到相当逼真的内部结构，我们可以分辨出血管，神经通道的位置，肌腱的位置它们将整个组织连接在一起。世界上只发现了少数几个头骨，我们的头骨是最完整、最不变形的头骨之一。因此，它是获取信息的非常有价值的资源。

在非洲的一次考古发掘中，一个不寻常的发现为人类的进化提供了新的见解。

伊恩:所以这是一个非常有趣的故事，一块不起眼的棕色岩石被带到实验室，人们认为它可能是鳄鱼粪便化石，也可能不是。这是在非洲的一个地区发现的，那里居住着类人猿，即人类的祖先。人们认为了解他们生活的条件和环境非常重要，特别是，那里有水吗，周围有湖泊吗，周围有沼泽吗。潜在的问题是，生活在水里和水周围是猿类变成两条腿并随后进化成我们现在这样的人类的驱动力之一吗?我们给它拍了照片，他们得出的结论是这是鳄鱼的粪便。这个奇怪的、不起眼的小块自然变成了人类发展和进化更大图景的一部分。

简:从长远来看，谁知道这个中心还能有什么其他用途?有点像超人的力量，它似乎是无限的可能性。

伊恩:机会太多了。有时它似乎是无限的。我用这个术语来形容人们想象自己拥有超人的即时3D x光视力。在某种程度上，这就是它给你的——类似的东西可以实现。

种植疫苗

烟草植物可能是未来大规模生产流感疫苗的关键。

本周在马耳他举行的ESWI流感会议上公布了一项研究，加拿大生物技术公司Medicago将编码流感病毒外壳的基因添加到烟草植物中。它们产生类似流感病毒的免疫刺激颗粒，但不含任何感染性成分。布莱恩·沃德教授是Medicago的医疗官…

病毒蛋白然后迁移到植物细胞的表面，自动组装成这种小的病毒状颗粒，从外面看，像病毒，但内部什么也没有。

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元素风险表

英国地质调查局发布了一份“危险清单”，列出了52种可能很快就会短缺的化学元素。

在编制这份清单时，考虑了这些元素开采国的丰度、储量位置和政治稳定性，排名靠前的是铂、钨和稀土等金属。埃克塞特大学矿物学教授弗朗西斯·沃尔……

弗朗西丝:所以像混合动力汽车、风力涡轮机、手机这样的东西，都使用了大量的元素。在移动电话中，大约有66种不同的化学元素被整合到这项技术中。所以我们现在需要看看元素周期表中所有元素的可用性。

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眼动控制轮椅

米拉-轮椅使用者很快就可以用他们的眼睛来指示他们要去的地方。布拉德福德大学(University of Bradford)的普拉桑特·皮莱(Prashant Pillai)团队开发了一种类似眼镜的跟踪设备，该设备与电动轮椅结合使用，利用摄像头跟踪佩戴者眼睛的位置。

Prashant -最重要的事情是给残疾人更多的独立性。我们的最终目标是建造一个你可以通过查看不同的电器来控制的房子。你可以看看电视，打开它，看看收音机，打开它，然后坐上轮椅，然后看看你想去的地方，它就会带你去。

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情绪侦测扫描器

Meera——英国科学家发明的一种照相机可以探测到一个人在说假话。

该设备可以检测面部变化，包括表情变化、血液流动和眼球运动，这些都与说谎有关。发明者哈西安·尤盖尔就职于布拉德福德大学。

Hassan -我们的准确率是70%，这意味着我们可以发现3个谎言中的2个。我们希望能超越这一水平，达到90%。我们在警察审讯场景，移民，边境控制点，任何涉及面试的地方都能看到这一点，包括潜在的工作面试。

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父亲的睾丸激素

米拉-最后，当男人成为父亲时，他们体内的睾丸激素水平会下降。

西北大学的克里斯托弗·库泽(Christopher Kuzawa)领导的一项针对菲律宾600多名年轻男性的试验发现，单身男性的睾丸激素水平高于那些已经成为父亲的男性，而那些帮忙照顾孩子的男性的睾丸激素水平则下降了34%……

克里斯托弗-与孩子互动似乎会降低男性的睾丸激素，但我们也从之前的研究中知道，男性在怀孕期间，即将出生，你会看到他们的睾丸激素在孩子出生前下降。所以，这表明可能有心理上的原因，也可能是即将出生的压力。我们不太清楚，但似乎有多种方式可以让孩子降低男性的睾丸激素。

这项研究表明，这是一种进化适应，利用高水平的睾丸激素来吸引和确保配偶，而当父亲时睾丸激素水平较低，从生物学上讲，男性会帮助抚养孩子。

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克里斯:那么你是如何处理这个问题的呢?

洛娜:克里斯，我是一名物理学家，用实验技术试图了解冷冻保护剂分子是如何工作的。低温保护剂分子是像葡萄糖和甘油，糖和糖醇这样的东西，当人们想要在冰箱或冰柜里长时间低温储存蛋白质或细胞时，世界各地的研究实验室都在使用它们。有糖或糖醇就可以做到这一点——它可以让你把这些蛋白质或细胞带到非常低的温度下，而不会破坏它们。所以在我的研究实验室里，我们正试图弄清楚如何做到这一点，我们关注的特定领域是蛋白质。蛋白质有这种非常独特的三维结构，这种结构对它们的功能非常重要。当你加热蛋白质或对其施加一个力时，你就把它解开了，就像你解开一根绳子一样，所以你减少了它的三维结构。我们想要弄清楚的是，当你把这些有趣的冷冻保护剂分子加入到蛋白质周围时会发生什么——它们是如何阻止蛋白质分解的?

克里斯:所以目前，我们使用这些化学物质是因为我们知道它们是有效的，但从科学的角度来说，我们并不是很了解如何他们工作吗?

洛娜:完全正确。它们是有效的，那我为什么要做这些实验呢?其中一件激励我的事情是利兹大学正在进行的一些研究他们使用这些冷冻保护剂分子来保护卵巢细胞组织。这对生育治疗非常重要。现在的问题是，如果你用葡萄糖或甘油这样的分子来保存这些细胞，当你把它们冷冻起来之后再解冻你只能恢复一定比例的细胞。理想情况下，我们希望尽可能地恢复，这样我们就可以在以后的治疗中使用它们，所以我们希望回到最开始。我们想要了解这些分子是如何工作的，我们想要了解不同的冷冻保护剂分子是如何工作的，然后我们想要弄清楚哪些是正确的冷冻保护剂用于特定的蛋白质，细胞和组织。所以我们真的很想深入了解这个机制是如何工作的。

克里斯-目前我们知道它是如何工作的吗?因为我们有很多自然的例子可以看:有些植物生长在非常干燥的国家，它们可以在大量的干燥中生存下来，它们能稳定自己，一旦再次湿润就能恢复生命。还有其他生物可以在相反方向的极端温度下生存。有没有什么化学过程能把这两者结合起来，让我们知道这些生物是如何抵抗这些极端环境的?

洛娜:有一种观点认为冷冻保护剂会对环境中的水产生一些有趣的影响。例如，甘油可以阻止水冻结——当水冻结时，它会形成这种延伸的氢键网络，这对生物细胞是非常有害的因为它可以破坏细胞膜。这是我们正在进行的研究的一个方向——我们试图观察水网络的细节，当它附近有低温保护剂分子时，它真的没有那么简单，因为它破坏了氢键网络。它比这要详细得多，所以水仍然可以形成一个网络，但是举例来说，甘油非常有效地进入到这个氢键网络之间。当然，它减少了，通过这种方式，它可以阻止水在常温下结冰。如果你观察水和甘油的结冰温度，水在零度左右结冰。甘油在20度左右结冰，但如果你把它们以一种特殊的组合放在一起，你可以让混合物在零下47度的温度下冻结。所以当你把这两种氢键液体混合在一起时会发生一些非常有趣的事情。

克里斯:听起来很简单，但我敢肯定，要计算出粒子的运动是完全不同的事情，粒子实际上只是几个原子粘在一起。那么你是如何跟踪这些粒子网络，水分子和甘油，并观察它们是如何相互作用的呢?

洛娜-我们在用两种实验技术。第一个是中子衍射，我们在牛津附近卢瑟福阿普尔顿实验室的ISIS设施里做这些实验。中子衍射可以让你看到液体的原子层面的细节，它可以让我们问这些关于氢键网络的问题。当然，我们也对蛋白质感兴趣，我们正在使用另一种实验技术来观察蛋白质的稳定性。我们用的是原子力显微镜你们可能在节目中听说过。这台仪器是在20世纪80年代发明的，它的发明者因此获得了诺贝尔物理学奖。我们已经在利兹建立了一个改进的原子力显微镜，它允许我们做的是拿起一个单一的蛋白质，并对该蛋白质施加机械力。这个力足以解开它折叠的3D结构。这是一个非常专业的设备，因为我们需要施加的力实际上是皮牛顿，我们正在研究纳米尺度的分子，但我们每天都在实验室里这样做。所以我们在冷冻保护剂分子存在的情况下对蛋白质施加这些微小的力，这使我们能够看到动力学的细节以及蛋白质在这些有趣的冷冻保护环境中展开和折叠的动力学。

克里斯-那么，把这些都放在一起，洛娜，你认为当我们把这些冷冻保护化学物质中的一种与一个细胞或一组蛋白质混合在一起以在极低的温度下保护蛋白质时，会发生什么?

洛娜:我认为解决方案是非常重要的，所以水形成的氢键网络对蛋白质的稳定性有很大的影响。我认为低温保护剂分子与细胞或蛋白质本身相互作用的地方也可以给它额外的稳定性，溶液的浓度是关键，在这个温度下，你可以减少系统而不使其变性。

家用制冷的基本挑战是如何获得越来越高效的设备。普通家用冰箱的能效大概在10%左右，欧盟已经出台了一套新法规，要求冰箱制造商将能效从10%提高到20%。他们面临的挑战是，他们可以做到这一点，但他们需要做很多工作来改变隔热层。他们需要使用易碎且昂贵的真空板，还需要他们重新设计设备。制造商不希望这样做，所以他们希望我们的技术允许他们在不改变制造和构造设备的方式的情况下引入最高效率的设备。

本:所以，你的设备做了我们通常在冰箱后面看到的压缩机的工作?

尼尔:是的。如果你看一下冰箱的背面，你会看到一个很大的金属黑盒子，那是气体压缩机。内部的发动机压缩液化的气体，然后被泵到周围，气体就会蒸发。当它蒸发时，它会吸收热量，使牛奶冷却。在循环的另一边，气体重新凝聚成液体并释放热量。所以在你的冰箱后面，你会感觉到热量出来——那是气体再冷凝，当然在冰箱里面是冷的，那是液体蒸发的地方。

本:你打算如何取代它或者改进它?

我们正在使用一种完全不同的方法来制造一个冷却循环，使用磁铁和特殊的金属合金。从概念上讲，这是一个非常相似的过程。在气体压缩机中，依靠的是液气过渡。在磁性溶液中，我们依赖于与铁磁相非常相似的变化，在铁磁相中，金属内部的电子都很好地组织和排列。在这种状态下，它被磁铁吸引，通过改变磁场，你可以使它切换到顺磁阶段在顺磁阶段，电子完全无序，不再被外部磁场吸引。

本:那么磁场或金属磁性结构的变化是如何导致温度变化的呢?

我们使用的是一种叫做磁致热合金的特殊材料，这种材料暴露在磁场中会改变温度，这是磁冷却的基础。这种效应已经被发现有一段时间了，事实上，我想它是在19世纪晚期在几百摄氏度的铁中被发现的。我们真正在做的是利用这个效应，但是在室温下使用它是为了利用温度的变化。

本:那金属到底是什么?我可以看到你拿了一块，大约一平方厘米。它是什么做的?

这种特殊的合金含有95%的铁，但掺杂了镧、硅和钴。它被设计成居里温度在室温左右。我的意思是当材料低于它的居里温度时，它会被磁铁吸引。正如你所看到的，它很高兴地粘在磁铁上，但是当材料超过居里温度时，它就不再具有磁性了。如果我打开风扇加热…

本——它几乎马上就掉下来了!

是的，一旦超过居里温度，它就会从磁铁上掉下来，我们正在利用磁冷却引擎的这些磁性，并将其与磁热效应结合起来，实际的温度变化。实际上，你可以创造一个制冷循环的四个方面，正是这四个过程——温度变化，然后是材料在受热时改变其特性的方式——你可以用来将热量从冷泵到热或从热泵到冷。

本:那么我们该如何把它整合到现有的冰箱设计中呢?

在现有的冰箱里，你有一个气体压缩机，气体压缩机从冰箱内部吸收热量，并从冰箱后面的热交换器释放热量。在磁冷却系统中，情况有所不同，因为我们的制冷剂不是气体或液体，我们的制冷剂是固体的，所以它位于我们的设备内。为了将制冷剂与冷热交换器连接起来，我们使用了一种液体——但这种液体没什么特别的，基本上就是水。所以事实上，用我们的磁性溶液，我们不仅摆脱了气体压缩机中经常使用的有毒气体，我们有一个固体，所以它不会泄漏，同时，我们用来移动热量的液体是一种安全的，无毒的液体，比如水。

本:就效率而言，你说过这样做的目的是让新一代的冰箱变得非常高效。它和我们已有的相比如何?你的钱花了多少钱?

粗略地说，如果你把一台标准的a +级冰箱用气体压缩机替换成我们的磁力发动机，你的冰箱的效率就会翻倍，而不需要对设备做任何其他的改变。所以这是两个改进因子。

本:我们还可以改进什么，让它变得更好?

第一个方面是我们可以改进制冷剂材料。我之前说过的镧，铁，硅，钴，都是很好的化合物。然而，在接下来的12个月里，这种材料将会有一个更强大的版本，这将使我们能够使磁场更小，所以设备可以更小，更轻，更便宜。第二件关键的事情是能够更快地运行机器。如果你让机器运行得更快，你要么产生更多的冷却力，要么需要更少的材料或更少的磁铁。这两个因素结合在一起，将使我们能够为昂贵且日益具有竞争力的家用冰箱提供解决方案，或者，它将使我们能够为可能适用于超市或汽车空调的技术制造更大的冷却功率版本。

巴里:嗯，我们一路了解到，这些生物中的一些实际上有我们所说的抗冻蛋白，它决定了冰在它们体内开始形成的位置。因此，他们不会让自己全身都被冻住，而是将冰块固定在不会受伤的身体部位，比如皮肤下的区域或腹腔。它们试图避免在器官内冻结。所以，它们在进化上适应了这个过程。克里斯-一个点,是我与这些专业的生物,像青蛙和蟾蜍可以被冻结的固体,如果冰形成的细胞内,然后冰形式纯水和剩下的解决方案在冰晶更集中,所以拉水进入细胞的渗透的过程,使细胞膨胀,然后冻结发生,和叶子更集中的水,所以细胞膨胀一点,这会使细胞破裂。所以他们实际上做的是鼓励自己冻结得非常好，非常快。所以事实上，它们并没有发生使所有细胞破裂的过程。我不知道你对此有什么看法，洛娜。洛娜:是的，完全正确。这就是所谓的渗透压或渗透压力，事实上，这就是许多生物体如何发展出保护自己的机制。 They can change their solvent composition to either increase the amount of cryoprotectant molecules in the vicinity or reduce it. Humans can do this as well, interestingly. We have membrane proteins called aqua- or glycerolporins and they can control the traffic of water or glycerol molecules across the cell membrane. But obviously we can't do it as effectively as some of these other organisms like the frogs or the fish. But perhaps there is potential there for the future.

事实上，许多天然的防冻冷冻保护剂只是糖和糖醇，我们每天都在使用，它们在食品工业中被大量使用。问题是当我们在细胞水平上大量使用它们时，它们就会对细胞有毒。研究人员正在进行非常详细的研究，以找出这些冷冻保护剂在什么浓度下会中毒。

巴里-如果你是问个人意见，不行。我认为现在冷冻整个人的身体是个人选择和信仰的问题。没有科学证据表明，我们能够冷冻保存一整个人体或一个完整的人，让他们在未来清醒过来，过上自己的生活。

Kat -对在冰箱里的沃尔特·迪斯尼来说真是个坏消息!洛娜，你对此有什么想法吗?

洛娜-是的。我想我同意巴里的观点，但也许我内心的浪漫倾向于相信，随着时间的推移，科学无所不能。