新材料世界

对于糖尿病来说，这是一个好消息，因为研究人员发现，一种名为锥螺的有毒贝类，可以使用一种非常快速的胰岛素来固定它们的鱼类猎物，方法是使目标动物的血糖急剧下降，使其无法游动。像这样的速效胰岛素对人类糖尿病患者非常有用，现在，通过研究几种不同的锥体蜗牛，海伦娜·萨法维和她的同事们已经弄清楚了这种胰岛素是如何起作用的，为什么它起作用如此之快，以及如何复制它，正如她向克里斯·史密斯解释的那样……

海伦娜:锥蜗牛都是掠食性的海蜗牛，它们捕食蠕虫、蜗牛甚至鱼类，它们原产于热带地区，所以它们生活在美丽的地区。它们有漂亮的贝壳;大约有800个不同的物种，每一个物种都有不同的外壳图案，它们都非常漂亮。

但我们最感兴趣的是这些蜗牛在捕食其他动物时产生的化合物，我们早就知道它们产生的化合物可以用于缓解疼痛和研究疼痛。但我们现在发现的是，这些物种中的一些实际上会产生胰岛素，并将胰岛素释放到鱼游泳的水中，胰岛素会导致血糖迅速下降，而暴露在胰岛素中的鱼就不能再游泳了。

克里斯-锥蜗牛会把它抓起来吃掉吗?

海伦娜:一旦鱼游不走了，锥螺就会来把它吞下去。

克里斯:想到这东西在往水里喷胰岛素，真是太不可思议了。那么问题就来了1)为什么锥体蜗牛的血糖不会很低，或者胰岛素在锥体蜗牛体内不起作用，2)胰岛素是如何从水中进入鱼体内的?

海伦娜:事实证明，锥蜗牛产生的胰岛素和它自己的胰岛素非常不同。所以蜗牛自己分泌胰岛素来调节体内的血糖水平但是它喷射到水中的胰岛素和鱼分泌的胰岛素非常相似所以它不会对自己的目标受体起作用。至于它是如何进入鱼体内的，我们认为它会通过鱼鳃迅速进入体内。

Chris -问题是，如果你用我们在诊所里给人类使用的胰岛素来做这个，它们的作用很慢，不是吗?然而毒液必须非常迅速才能使猎物动弹不得因为它们是贝类动物，它们无法追捕快速移动的鱼，所以这种东西必须很快?它是如何做到的?

海伦娜:蜗牛必须确保鱼能很快地固定住，而且与我们制造的胰岛素相比，胰岛素的作用非常快，而且它是一种单一的化合物。我们人类的胰岛素具有很强的粘性，所以一个胰岛素会很快地粘在另一个胰岛素上，形成所谓的六聚体。蜗牛胰岛素，因为它必须迅速起作用，永远不会形成六聚体，所以它比我们自己的胰岛素起作用要快得多。

克里斯-所以当我们的胰岛素进入体内时，它们在发挥作用之前是否必须先脱落，而蜗牛所做的是，它们的胰岛素从一开始就不会脱落，所以它们可以立即发挥作用?

海伦娜:是的，完全正确。当我们注射胰岛素时，或者糖尿病患者注射胰岛素时六聚体必须首先结合成一种化合物，然后才能起作用，而蜗牛一开始就不会产生六聚体，所以它立即就起作用了。

Chris -如果你知道这个，很明显要问的问题是为什么我们不利用我们的生物技术知识制造一种不能像那样粘在一起的人类胰岛素呢?

海伦娜:这是个很有趣的问题。事实上，我们已经尝试了20多年了，但我们还没有解决这个问题，因为目前你试图使人类胰岛素不粘在一起，它不再活跃了，所以你剥夺了它的活性，你仍然可以注射它，但它在你的身体里再也不起任何作用了。不知何故，蜗牛通过在毒液中制造胰岛素解决了这个长期存在的问题。

克里斯-让我从痛苦中解脱出来吧;在过去的几十年里，蜗牛能做什么人类工业不能做的事情?它一定发现了某种我们没有想到的巧妙把戏?

海伦娜:是的。所以我们认为蜗牛胰岛素以一种不同的方式与人类胰岛素受体或鱼类胰岛素受体结合。它在受体上使用了一个稍微不同的表面所以它用来与受体结合的区域和我们人类的胰岛素有点不同，这就是蜗牛解决这个问题的方法。

Chris -但关键的是，这意味着如果你能复制蜗牛的做法你就有可能制造出一种作用非常快的人胰岛素而且不会像蜗牛那样粘人所以当它进入人体内时它会很快控制他们的血糖?

是的，这正是我们目前正在努力做的，我们已经取得了很好的进展，我们计划在不久的将来发布。所以我们所做的就是尽可能多地从蜗牛胰岛素中学习，我们已经发现的不同的胰岛素，然后回到人类胰岛素，使它不粘，但仍有活性。我们有了第一个化合物，我们希望在未来的某个时候投入临床。

这周你扔掉了多少食物?如果你像伊兹·克拉克和克里斯·史密斯那样，这可能足够了。值得庆幸的是，澳大利亚的科学家可能找到了答案。我们经常扔掉食物的原因是，上周我们在超市买到的那些看起来很美味的水果和蔬菜已经变成了微型模具厂。发生这种情况的原因是微生物无处不在，所以你买的所有东西都自然地被它们覆盖;它们和你一样喜欢吃你的草莓!但是，在西澳大利亚州珀斯的默多克大学，Kirsty Bayliss发现了一种方法，只需使用室内空气和电力，就可以使易腐食品持续数周……

联合国粮食及农业组织(FAO)表示，全球30%的食物被损失或浪费，相当于13亿吨。其中很大一部分发生在我们所说的收获后阶段，也就是在农产品离开农场到消费者手中之前，甚至在消费者手中。

克里斯:我看到的一些数据表明，即使是在家庭中，人们也会购买一些东西，把它们放在冰箱里，然后作为霉菌培养物进行培养，然后把它们扔进垃圾箱。我的意思是，很多浪费实际上是因为人们过度购买。

科斯蒂-没错。像牛油果这样的农产品，人们把它们带回家，它们会变黑，他们会说‘哦，我不吃那个’，然后把它扔进垃圾箱。草莓也是一样，放上几天，它们开始长出灰色的绒毛……“哦，我不吃那个”，然后被扔进垃圾桶。所以这就是我们想要解决的问题，我们如何才能真正阻止霉菌的生长，减少正在发生的食物浪费。所以我们已经开发了一种技术，我们称之为冷等离子体或冷闪电，实际上可以阻止霉菌的发生。

克里斯:完全?

Kirsty -完全正确。

克里斯-它是怎么工作的?

冷等离子体是一种电离气体。如果你回想一下高中的科学课，它是物质的第四种状态，我们通过对气体施加电流来产生它。我们使用的气体就是我们呼吸的空气，当我们产生等离子体时，它会在水果蔬菜的表面留下一层涂层。所以这是一些小的活性离子，电子，活性氧和氮，所有这些东西加在一起都是抗微生物的，所以它们实际上阻止了霉菌中的孢子发芽，如果它们不发芽，它们就不能感染食物。

克里斯-所以你基本上是在一些空气中施加一个强电场，从那里的一些分子中剥离电子所以你最终得到了等离子体?然后，你把它涂在食物上，它装饰了食物的表面，然后你保护了表面，所以如果有任何东西停留在那里，不受空气的影响，真菌，细菌，不管什么，它都会被杀死。

基斯蒂-没错。所以所有这些在等离子体中产生的小电子和离子，它们直接攻击食物上的任何霉菌。它可以是霉菌，这是真菌病原体，但也可以是细菌和病毒。

克里斯:为什么它攻击微生物而不攻击食物?

是啊，真有意思。这是它背后真正的科学，所以这是我们想要研究的东西。我们确实认为它对食物有影响，尤其是对新鲜农产品，我们认为它可能会增强水果和蔬菜的免疫反应，所以实际上有双重效果。所以这是我们接下来要做的研究阶段之一，看看背后的科学并证实这个理论。

克里斯-它实际上不会影响味道，也不会影响食品的完整性和安全性?

柯斯蒂-不，没错。我们的实验室里有牛油果，草莓，我们现在正在做芒果，柑橘和玉米。在我们处理完之后，我们让一排学生排着队来测试这些——学生们总是喜欢免费的食物——但这并没有改变它们的味道。我们还观察了水果的硬度，所以我们看它是否变软或类似的东西，但都没有受到影响。颜色不变，水果的重量也不变。所以这是一个主要的好处，它也不会影响水果的实际质量或味道。

克里斯-如果我拿一个普通的草莓或牛油果，这两种我都很喜欢，但真菌也会在我的冰箱里生长因为我上周扔掉的东西，用你的技术处理后，它们在我的冰箱里能存活多久与我把同一批草莓直接放在冰箱里相比?

好吧。牛油果是我们最大的成就。当我们用血浆处理牛油果时，如果你幸运的话，它们通常可以持续五天左右。我们已经吃了大约三周了，它们仍然很好很新鲜。虽然有一些变化，但将保质期延长三周是一个巨大的成就，种植者对此非常兴奋。

克里斯:我并不感到惊讶，因为，当然，这意味着他们将生产更多的农产品，不是吗?我的意思是，从金融角度来说，你认为你能拯救市场多少?

Kirsty -是的，实际上在这方面做的还不多。但有一项数据表明，在减少食物浪费上每花费一美元，就会有14倍的回报。所以总的来说，不管它是什么治疗方法，这就是我们希望通过血浆来实现的。

Chris -现在这是可扩展的吗，因为当你有数百万吨的食物流向消费者时，用你开发的技术对它们进行等离子处理可行吗?

Kirsty:在接下来的六个月里，我们想做的是在包装车间测试它。我们正在与当地的鳄梨种植者合作，我们将进入他的包装仓库，看看我们可以在传送带上使用它。当牛油果从果园运来的时候，我们正在研究是否可以在传送带上使用等离子体，或者在洗牛油果的时候，我们甚至可以在水中使用等离子体。所以这将证实我们实际上可以在实验室外扩大规模。没有理由说它不行，我们只是要确认一下。

我们探索了一种传统的制造方式，但现在的技术让我们走得更远:我们可以非常精确地3D打印物体，并控制它们所有重要的结构。来自帝国理工学院的杰斯·韦德和伊兹·克拉克一起来到演播室，并带来了一件色彩鲜艳的物品……

杰西:是的，这是一对奇怪的3D打印钳子。我想说，我似乎因为玩它的热情而变形了。

伊兹-他们之前还在工作。就好像有人画出了传统钳子的轮廓，但实际上都是一个位;里面什么螺丝都没有。

杰西:没错。这就是所谓的计算机辅助设计。所以你在电脑上画出你的结构，基本上你就像在家打印一样打印出来，但不是墨盒，而是一根塑料丝，然后你把它直接放在某种基板上最后你就得到了这种3D打印的钳子。正如你所提到的，你可以通过巧妙地设计它的方式，巧妙地打印它的方式也就是你沿着打印的轴，以及巧妙地设计这些有趣的小结构来赋予它额外的强度。也许内部是一种蜂窝状结构，这样更坚固。

伊兹:一把普通的钳子;你几乎有两块金属，在中间有一个螺丝，这就是它的功能。这里，在你期待一个螺丝的地方我们有这个漂亮的小网格它不同于其他印刷材料的结构它实际上能够使它按照我们期望的方式运动?

杰西:没错。所以你只需要在设计的时候聪明一点，这样你就可以在以后赋予它功能，但我想这就是我们现在使用材料的方向。我们更多的是在思考如何制造和设计它们，赋予它们一些以前没有的特殊属性。

伊兹:为什么以这种方式使用材料的结构和形状会如此不同?

杰西:因为我认为很长一段时间以来，根据我们之前的描述，考虑我们过去制造剑和其他东西的方式，我们有材料，我们把它们做得更小。我们从上而下，现在我们可以从下而上，我们可以真正思考我们想要这种材料具有什么功能，然后在真正的原子水平上设计它，赋予它那些属性。这些神奇的，神秘的，科幻小说里的东西就是这些超材料，你可以用这些超材料创造出单个元素之间的间距小于你想要看到的光的波长的结构。当你这样做的时候，你可以给它这些非常奇怪的物理性质，你可以开始玩，不仅是和光的电场，我们通常在普通材料上玩，还有磁场。所以你可以做这么疯狂的事情，如果你在这么小的尺度上设计，实际上这真的很令人兴奋，既是对物理学家的挑战，也是对我们在现代生活中使用它们的方式的挑战。我认为现在的材料，总的来说，无论是物理上的东西，也许听这个广播节目的人都听说过光学斗篷和隐形斗篷的想法。但现在人们正在思考如何将其应用到我们日常使用的材料中，所以朝着可穿戴技术发展，但更多的是考虑织物的功能，我认为这也是一个令人兴奋的科学领域。

伊兹-现在你把那个扔进去了-一件隐形衣。我们从一把钳子开始，这显然是在观察那个结构。那么，哪些新材料的新应用与它们的结构密切相关呢?

杰西:隐形衣很有趣，对吧?这就是你把单个元素分开，就像我说的，间隔小于光的波长。当你创造这种结构时，你可以使用的材料不仅仅是我们过去经常做的吸收和反射光的事情。我们对此很满意，大多数事情都是这样;这就是我们看到它们在那里的方式，但实际上你可以用一些材料来迫使光线在那个结构周围弯曲。这就是隐形斗篷的概念如果你在你制造的材料中有合适的间距，光就会在你制造的任何东西的边缘上导航，这样你就能看到它，就好像它不存在一样，就好像你直接穿过它一样。

这个应用程序不仅是哈利波特的风格，而且你还可以用它来做手术，让人们看到器官以外的东西，或者类似的东西，看到它周围的东西。我认为对我来说更令人兴奋的是人们，我提到过一点，把它们嵌入到衣服里。我遇到了一位了不起的设计师，她在皇家艺术学院和海伦·哈姆林设计中心工作，她叫劳拉·索尔兹伯里，她设计了这种针织品，旨在帮助中风患者康复。它的设计初衷是刺激你手臂里的东西或者你需要的地方，这样你就能更快地康复，我认为这是有史以来最简洁的东西。

我还遇到了一位来自韩国的杰出研究人员，名叫李美正(Mi Jung Lee)，他正在研究如何从编织织物中创造记忆。每一根线就像一个电极，你可以创造一种易失性记忆系统，这太不可思议了。

伊兹-哦，我的天哪!

杰西:所以我们现在可以用一种灵活的方式赋予材料一些功能，这是我们长期以来一直在做的事情。实际上，我们现在可以用这些材料解决新问题，我觉得这太令人兴奋了。

Izzie:这是可穿戴材料技术的未来吗?我的意思是，它离现实有多近，多久能看到这样的东西?

杰茜-我认为我们完全在现实中。我认为现在使用这些材料是非常小众的，无论是用于运动康复还是因为你想在你的衬衫袖子里有某种记忆系统。但我认为我们在科学上已经完全做到了，我们只需要与设计师和科学家进行更好的互动，让它完全每天都发生。

材料科学的未来还会发生什么?随着世界人口的增长对我们的资源造成越来越大的压力，一个主要的优先事项是可持续地生产材料，并尽可能最有效地利用我们已经拥有的资源。这被称为循环经济，这是Alysia Garmulewicz一直在详细研究的一个概念。她来自智利圣地亚哥大学，目前是圣地亚哥大学的主任Materiom是一个开放的知识平台，利用当地丰富的生物原料制作材料。

但是，什么是材料方面的循环经济呢?Alysia和Chris Smith一起在演播室给出了一些例子。

Alysia -它通常被认为有两个主要的周期。一个是生物循环，因此，一方面，我们正在研究可以真正进入生物圈的材料，并在自然系统的基础上被返回和再生。另一个循环是技术材料，所以这些材料不会很好地回到生物圈中，但我们需要设计出一些方法，让它们回到对人类工业有用的地方。就物质循环而言，它通常分为这两个部分。

克里斯:那么现在，举个例子，我从地下挖出一些石油，把它变成一个塑料袋。这是循环经济的一个非常糟糕的例子，因为它是一条单行道。我做的袋子，会在垃圾填埋场里躺上几千年吗?

阿莉西亚-没错。是的，这是我们现在的线性经济的一个很好的例子以及支撑它的问题。

克里斯:所以你在提倡某种合理的设计——如果你喜欢的话，一个更好的袋子——这意味着我们从不同的原料开始，或者我们从一开始就设计出某种可回收性?

Alysia -没错。我们需要把再生作为一种指导原则，我的工作重点之一是重新想象再生发生的地方，范围和规模。因此，目前循环经济中讨论的一个话题就是循环的概念，这是一个隐含的概念。但我认为，这一领域的下一代工作是寻找合适的规模，我们可以制造这些材料，并将它们回收。所以如果你观察自然生态系统，你会看到物质，实际的分子是如何被生物体吸收的，然后建立栖息地等等，但这通常是在嵌套的地方，在循环方面是相当局部和区域的尺度。

我们现在所做的是，我们从矿山中挖掘矿物，或者从巨大的矿床中开采石化产品，然后建立巨大的全球供应链，以便将这些材料运往世界各地。问题是，这样一来，材料生产就集中起来了，废物就分散了。当你把它想象成一个试图把所有分散的废物重新输送回集中生产系统的问题时，这是非常不经济的，而且非常困难。所以其中一个想法是将这种材料供应链分散到更嵌套的营养网络中。

克里斯:世界各地的经济和工业都是如此，不是吗?因为几年前，当我得知我做晚餐的对虾是在大西洋的一边捕获的，一路运到泰国，在船上去壳，在那里煮熟，然后带回来给我吃的时候，我很震惊。这些对虾一生中环游地球的距离可能比我还远，你想想这其中的碳成本。但这并不是微不足道的，因为整个世界经济都在围绕着大规模生产产品，然后向最终用户转移。所以你提倡的是对我们制造和使用东西的方式进行大规模的彻底改革?

阿莉西亚-没错。我认为这是一个很好的类比，看看粮食系统，有很好的逻辑，更多的区域本地供应的原因和能源。所以现在正在发生的可再生能源革命是从你周围的东西开始的，在我们生活的这个地方，什么是有意义的。下一步是材料，你非常正确地指出，这是一场巨大的革命，改变了人们做事的方式。然而，现在已经有了改变的种子;例如，在数字制造领域，工厂实验室、创客空间和本地生产社区随处可见。可以说，这给目前正在酝酿的更加分散或分布式的制造业格局带来了希望，但从这个意义上讲，这可能是未来更大转型的预兆。

克里斯-但我明白你的意思。问题是，如果你看看电脑、移动设备，它们都是在中国大规模生产的，而且它们要走很远的路。有些材料需要长途跋涉，但它们也是在这些材料丰富的地方制造的。现在我们不会在一夜之间让整个世界不再拥有笔记本电脑和iPhone，对吧?所以会有一些事情是不适合这样做的——会有例外吗?

Alysia:我认为这是真的，我认为你必须看看我们想要关注的材料的数量，从做出改变开始。我们非常关注塑料，我们非常关注可以从丰富的生物质营养来源中获取的材料，例如，木质纤维素材料，它们是树木和所有植物的基本组成部分，在世界各地分布广泛。此外，例如，我们在制造藻类生物塑料方面做了很多工作。琼脂是一种生物聚合物，你可以从藻类中提取，但这实际上是一种叫做红藻的生物聚合物，红藻大约有4000多种，分布在世界各地。所以你可以在地球上的任何地方制造和制造功能性塑料的想法是我们认为完全可能的。

另一个方面是，当你把它与绿色化学方法的高度参与性技术结合起来——即低热低压——基本上我们制造的塑料可以在你的厨房里或至少在一个小实验室里制造。这种技术可以让更多地方的更多的人参与到这种新的材料经济中来。

Chris:我们把所有的历史都花在了扩大规模上，研究如何制造更大的东西，更快地把它们运到不同的地方，现在我们把它们都带回家，让它再次本土化，让它几乎成为工匠。这是非凡的!

我认为这是一个有趣的趋势。我认为，一方面你会有大规模的东西，而另一方面你会有小规模的东西，更多的问题是，对于我们想要的材料类型和生产类型来说，什么是合适的规模。