绕电子旋转

最近，微塑料的问题一直在新闻中——它们是直径从几毫米到纳米不等的微小塑料碎片，可以从化妆品和衣服等日常物品上洗掉，也可以从长时间分解的大块塑料中去除。因为它们太小了，它们不容易被我们现有的污水系统过滤掉，这意味着它们最终会进入大海，给海洋世界带来问题。现在，澳大利亚阿德莱德大学的科学家们宣布了一种新的催化剂，他们希望这种催化剂可以以一种环保的方式加速微塑料的分解。Ankita Anirban采访了剑桥大学化学工程系的Ljiljana Fruk，她没有参与这项研究，并为我们看了一下这篇论文……

Ljiljana -所以在这篇论文中，作者设计了一种新的催化剂，可以加速反应。所以他们制造了一种催化剂，是碳纳米管和锰化合物的混合物。锰是一种化学元素，在许多化学反应中被称为催化剂。

因此，通过设计这些催化剂，他们已经表明，他们实际上可以用它来降解微塑料。当我们想到分解的时候不是把它分解成更小的碎片，而是分解化学结构。这当然是一个有趣的方法。

Ankita:你刚才说的是碳纳米管，这些真的是很小的碳管吗?

Ljiljana——如果你想象一层非常非常非常小的碳，如果你把它绑在管里，你就会得到一个非常小的纳米管。在他们的例子中，这些碳纳米管的长度是几百纳米。

安基塔-我们可以加入催化剂来加速反应，所以这是否意味着反应无论如何都会发生，而我们只是在加速它?

Ljiljana——你知道，一般来说，自然界没有什么是一成不变的。所以最终塑料会降解。只是需要几千年的时间。所以你想加快速度。他们在纸上展示的是塑料结构在6到8小时内是如何变化的。最后他们说，你可以把塑料降解成二氧化碳，然后这些二氧化碳可以被海洋生物用于光合作用例如，如果你有浮游生物，来生产生物材料。

所以我认为这些新策略的计划基本上是在污水处理厂使用它们。如果你有一个组合，你在这个工厂里有一个反应器和微生物，然后产物可以用来创造生物质，所以你会有一个循环系统。

Ankita -所以这些催化剂被描述为弹簧，为什么它的形状很重要?

Ljiljana—对于催化，表面是重要的。所以如果你有一个类似弹簧的表面，你就引入了不同的曲率，这样分子就可以进去，但你也增加了可用于催化的表面积。

所以有一个曲面比只有一个平面要好得多。

Ankita -这些弹簧也是磁性的。

Ljiljana -是的，所以有磁性材料当然是非常有用的，因为你可以想象你把这个催化剂扔进一团水里。那你要怎么把它弄出来?把它取出来的一种方法是用磁力。所以基本上是用一块大磁铁当反应结束的时候把催化剂移走。首先回收催化剂，确保催化剂不会进入饮用水。

Ankita -那么你认为我们会很快在污水处理厂使用这种催化剂吗?

Ljiljana——虽然这是一个有趣的概念，但要真正投入使用还需要一段时间，因为其中一个问题是这些材料的生产规模。另一件事当然是你需要投入一定的时间来研究生物相容性。你不希望任何东西泄漏到水里可能比塑料本身更有毒。

安基塔-现在，你觉得我们应该少用塑料吗?

Ljiljana -你知道，最重要的一件事是处理塑料需要改变我们的生活方式。关于微塑料的炒作是最近才出现的，但我认为我们首先需要关注其他塑料垃圾。因为即使我们处理了微塑料，也会有新的微塑料从我们的塑料垃圾中产生。因此，政策制定需要改变，个人与塑料的关系也需要改变。

我们人类从嗅觉中得到很多东西。但其他动物，比如狗，更依赖鼻子。为什么会这样呢?为什么我们进化出了这样的鼻子?《科学进展》杂志上的一项新研究揭示了这些问题，沃尔瑟姆宠物营养中心的达伦·洛根和凯蒂·海勒一起在演播室里聊了聊这些问题……

达伦:我们的嗅觉本质上是一种化学气味。所以新鲜出炉的面包散发出来的挥发物进入到大气中，这就是我们通过嗅觉感知到的。每次你深呼吸时，挥发物就会冲过你的鼻子，撞击你鼻子表面的分子受体，叫做嗅觉受体，它们存在于嗅觉感觉神经元中。

在人的鼻子里，我们有大约300种不同类型的这种神经元，每一种神经元都能探测到小分子的不同组合，而你的大脑将这种组合和这些组合的模式解读为——在这种情况下，是新鲜出炉的面包的气味。

凯蒂- 300听起来并不是很多，那么我们是如何能够识别出如此多的气味的呢?

达伦:所以这就是你的嗅觉系统的真正诀窍。这是由于一种叫做组合编码的东西，所以每个受体——300个受体中的每一个——都能检测到不同分子的组合而每个分子又能激活不同受体的组合。所以当你把它们相乘时我们认为我们可以检测到多达一万亿种不同的数量级。

凯蒂-好的。那么你是如何在这项研究中分析气味的呢?你对什么感兴趣?

达伦:所以我们利用了嗅觉系统的一个特殊特点——鼻子里的每个感觉神经元只表达一种嗅觉受体。因此，因为我们知道这一点，我们能够使用一种叫做RNA测序的东西来量化每种受体的RNA，这使我们能够告诉我们鼻子上每种神经元的数量。你可能会认为，在300种神经类型中，它们都是平等的。但我们发现，事实并非如此。有非常少的一部分，实际上，大约10到15个在鼻子上有很高的代表性绝大多数都相对较低。

凯蒂-那这是什么意思?我们从中得到了什么?

达伦:所以我们对这些受体是什么很感兴趣，这些神经元的数量非常多。所以，我们所做的是，我们观察这些神经元在检测什么，我们在人类的例子中发现，它们在检测我们所说的关键食物顺序。这些是食物产生的顺序。正如你提到的，点的是新鲜出炉的面包。

当我们研究其他物种时——我们研究了小鼠、大鼠、狗和一些灵长类动物——我们发现情况并非如此。同样地，当我们观察老鼠时，我们发现大量的神经元实际上探测到信息素——这是老鼠用来进行性交流的线索。所以我们认为这意味着每一种哺乳动物都进化出了一个专门针对其生态位的鼻子。

凯蒂:我们能不能从中得出结论，寻找食物对我们来说特别重要，但对其他动物来说，可能还有其他同样紧迫的事情。你会怎么分辨呢?

达伦:是的，这是我们的假设。有一种理论认为，我们的嗅觉基本上没有受到进化的压力。它们只是四处漂流，它们可以探测到我们碰巧遇到的任何东西。我们认为，这项研究表明，事实并非如此，事实上，随着时间的推移，我们的鼻子已经被调整到对我们重要的事情上——促进我们的繁殖和生存。就人类而言，我们的嗅觉对于探测食物和寻找食物尤为重要。这就是为什么我们认为我们的鼻子是这样调节的。

凯蒂-所以更多的受体等于更好的嗅觉能力。这大致正确吗?

达伦-这在嗅觉领域有点神秘。像狗、老鼠或大象这样的物种，我们认为它们有最多的感受器，它们可能闻得更多，但我们目前认为，它们可能闻得更多，只是它们的辨别能力更强。因此，它们可以分辨出事物之间的细微差别，而我们人类——不是世界上嗅觉最好的人类——可能无法做到这一点。

凯蒂-说到我们不是世界上嗅觉最好的人，我不得不说，我给自己起了个名字，叫“裸体科学家”办公室的侦探犬，因为我觉得我的嗅觉真的很好。为什么会这样?为什么我比伊兹更擅长嗅觉呢?

达伦:有些人的嗅觉比其他人好，这可能是遗传变异的结果。我们知道嗅觉感受器有很多变化，然而，我们也知道那些被认为或被描述为嗅觉更好的人通常更善于语言——所以他们能够更好地描述气味，他们检测到的气味，这看起来他们更优秀，但实际上他们更善于解释。

凯蒂-我还是要把这个功劳记在自己身上。简单……那么这件作品的下一步是什么呢?

达伦:我想我们正在做两件事，一件是我们正在寻找鼻子中神经元的空间位置，而不仅仅是它们的数量。这一点很重要，因为当你闻到气味时，空气会穿过鼻子，根据它击中鼻子的哪个部位，我们可能会认为它的工作方式不同。其次，我们对这些丰富的神经元特别感兴趣，想知道它们到底能探测到什么。

电子这个词来自古希腊语琥珀。如果你摩擦一块琥珀，就会产生静电，有点像在头上摩擦气球。一些希腊医生甚至建议把电鳗放在头上来治疗偏头痛——这是电疗的早期版本。但是，尽管我们对电的认识已经有一段时间了，但电子本身直到1897年才被发现。Ankita Anirban前往剑桥大学的卡文迪什实验室，采访了剑桥大学历史与科学哲学系的Katy Duncan，以了解这是如何发生的……

安基塔-我们来到了卡文迪什实验室，那是j·j·汤普森发现电子的地方。我们走在这条走廊上，卡文迪什博物馆里有很多人的肖像，我们慢慢地回到过去。很多20多岁的西装男。第一张是1919年，中间是j·j·汤普森教授。

我们穿过博物馆，来到一个装有玻璃管的箱子前。它和我的手臂差不多长，可能是我手臂的两倍宽，上面有很多大气泡。这就是用于发现电子的著名阴极射线管。你可能还记得后面有大盒子的旧电视。这些装有阴极射线管，用来在屏幕上产生图像。事实上，直到今天我们还在用阴极射线管来产生x射线。我和剑桥大学历史与科学哲学系的凯蒂·邓肯聊了聊他们是如何工作的。

凯蒂:如果你见过霓虹灯的话，这和这些气体放电管很相似。它们往往是长玻璃管，两端各有一个电极，一个带正电，一个带负电，你把它们连到电池上。当你对它施加电压时，不管管里是什么，他们发现它会发光。这就是阴极射线管的本质。

Ankita -那么阴极射线管是怎么来的呢?j·j·汤普森在1897年发现了电子。在那之前，我们对电子——或者更确切地说，我应该说，电——了解多少?

凯蒂- 19世纪是我们看到我们可以用电做什么的理解大幅增加的时期。所以我们可以开发公式和方法来操纵它，我们可以使用它，比如电报。但是电到底是什么呢?人们真的不知道。有人认为电荷有两种，但人们并不知道它是如何表现出来的。不管那是一种电流体还是两种电流体…这一切都是悬而未决的。当时，许多物理学家都对找出低压下气体的导电性很感兴趣，因为通常在空气中，电不会传播到任何地方——否则我们在穿过大气层时就会一直触电自己。如果你有一个充满气体的低压管，你可以让电流穿过它。这就是他们正在调查的; the electron just happened to be something, almost as an accident.

安基塔-你是如何偶然发现电子的?

凯蒂:当他用这个管子做实验时，他把它放在一个非常非常低的压力下，这是当时其他物理学家一直在尝试的。当他这样做的时候，他发现在正极的阳极后面有一个阴影，这表明有东西从负极沿直线移动到正极。没有击中阳极的碎片击中了周围的玻璃并发光。所以他研究了这条射线是什么通过在它周围放一个电场和一个磁场，同时研究了这条射线本身产生了多少热量。他用洛伦兹力定律计算了质量电荷比。

电和磁是同一枚硬币的两面。洛伦兹力是将两者联系起来的定律。它指出，如果你把一个电粒子放在磁场中，它会发生一定角度的偏转;偏转的量取决于粒子的电荷和质量。通过测量这种偏转，j.j.汤普森可以测量电子的电荷质量比。

在这个过程中，他发现这个质量比当时已知的最小原子氢原子的体积小一千倍。这就引出了一些有趣的问题是否有比原子更小的东西，是否有亚原子的东西。

所以他有效地发现了原子——我们之前认为是物质的基本单位，不能再分解的东西——实际上是由更小的粒子组成的。这和当时的理论有什么关系呢?

凯蒂-当时有很多不同的理论。j·j·汤普森并没有把他发现的东西叫做电子，他把它叫做微粒。他相信这个微粒实际上是原子的唯一子成分。他发明了我们现在所知的葡萄干布丁模型。所以这些小的，硬的电子存在于充满正电荷的海洋中，它们可以自由移动，然后在高电荷的存在下，它们可以离开这个葡萄干布丁模型。这就是我们在阴极射线中看到的。

Ankita -但是今天电子通常的图像并不像葡萄干布丁。现在，我们的大多数科学教科书都把电子描述为绕原子核运行，有点像行星绕太阳运行。那么这个理论是从哪里来的呢?

凯蒂-那是在汤普森提出他的葡萄干布丁模型仅仅几年之后。汤普森有个学生叫欧内斯特·卢瑟福，他进行了一些开创性的实验，实验结果与当时物理学家的任何理论都不相符。卢瑟福证明了原子实际上是我们今天所知道的最空旷的空间模型。

Ankita - Rutherford通过向金箔发射微小的带正电的粒子来做到这一点。他发现绝大多数粒子都通过了，只有一小部分反弹回来。这使他相信，原子的大部分实际上是空的，中间有一个带正电的小原子核，周围有一团带负电的电子。这是一个至今仍在学校里教授的模型。

科学很少是简单的，当时并不是每个人都接受这个模型。

凯蒂-科学家们花了好多年的时间才认识到它确实是一个粒子。所以在它成为我们今天所认识的电子之前，它在20世纪早期经历了一个非常不确定的定义。

今天，电子是科学研究中的重要工具。电子显微镜使用电子束，而不是光，以非常高的分辨率拍摄图像。这意味着它们可以用来观察我们肉眼无法看到的大量细节。它们让我们看到了病毒有多小，甚至可以用来给单个原子成像。我们在社交媒体上发布了一条消息，询问听众，你们想用电子显微镜看到什么。听众哈米什·赛明顿回答说，建议我们看一只蜜蜂……因此，裸体科学家亚当·墨菲和安基塔·阿尼班与研究员约翰·沃姆斯利和技术人员西蒙·格里格斯一起前往剑桥的材料部门与哈米什会面，并将一只蜜蜂放入扫描电子显微镜中……

哈米什-我带来了一些蜜蜂。这些是我一直在研究的蜜蜂，它们在我们完成实验后自然死亡。我们可以看看让蜜蜂很酷的一些东西。

亚当:但是，在我们把蜜蜂放进显微镜之前，我们需要做一些样品准备。因为我们向样品中发射电子，所以对样品来说，导电是很重要的，这样电子才能通过。如果样品是绝缘体，电子就会被困在样品里。蜜蜂的导电性不是很好，所以材料部的高级技术官员约翰·沃姆斯利解释了如何绕过这个挑战。

约翰:对于我们今天看到的样品来说，它们被涂上了一层非常薄的金属层，使它们具有导电性。黄金是最受欢迎的，因为它很好，很稳定，在空气中不会变色和氧化。在这种情况下，我们使用了铂，但它往往是一种重而稳定的金属。

亚当-样品准备好了，我们走近显微镜。那是一个洗碗机大小的大盒子，连接着一系列管子和泵，前面有一个小图样的警告标签。看管显微镜的技术员西蒙·格里格斯(Simon Griggs)打开抽屉，把我们的蜜蜂放在台上。

Simon -把它滑到舞台上，这样我们就可以在x和y方向上移动它，我们也可以倾斜舞台，这很好。我这样做的方向是对的。我们得到了漂亮的蜜蜂，把它放进机器里。声音很明显是空气进入排气口然后我们把它抽出来。所以，按下泵的按钮，它就会通过一个泵的序列。

亚当-这只是把空气吸出来吗?

西蒙:对，没错。它正在把机器里的空气吸出来。它会降到一个合理的真空，可能在10 ^ - 5毫巴的范围内，然后我们就可以让电子沿着列向下运动。这样做大约需要两到三分钟，然后坐下来看看东西在哪里。

亚当-正如凯蒂之前提到的，空气不是电子的良好导体，这对于避免经常触电是很好的，但如果你想把电子送到样品上成像，这是一个挑战。为了确保电子到达样品，我们需要将腔室抽到真空中。在我们等待这一切发生的时候，我们问了约翰更多关于显微镜是如何工作的问题。

电子显微镜的原理是，在电子柱的顶端有一个小型加速器。所以我们产生电子，我们把它们加速到相当高的能量，比如说在5到30千伏之间，大约5万3千伏特。然后它们通过一组电磁透镜聚焦它们与传统台式光学显微镜中的光学透镜非常相似。

亚当:任何一种成像技术的局限性都在于它的分辨率。当我们使用光时，我们只能分辨比光的波长更大的特征，这意味着我们只能看到微米级的东西——这是人类头发宽度的百分之一——但是电子的波长要短得多，所以我们可以看到纳米级的东西，而纳米比它小几千倍。

约翰:我们产生图像的方法是把一束铅笔状的电子束聚焦到样品上，然后扫描样品。当我们在扫描的时候，我们监控来自样本的各种信号

亚当-当电子以高能量撞击样品时，它们会在样品表面的原子间发出涟漪。这震动了样品内的电子，并将其中一些电子从表面送回。这有点像把一根强力软管射入游泳池，然后看着水溅起。

John -通过测量这些产生的电子的强度和调制-这是根据我们在样品上的位置-我们实际上非常直观地得到了我们正在看的样品的图像。

亚当-我们等这个腔室抽到真空后才能发射电子束。有一个小摄像机，所以我们可以在这个过程中看到室内的情况。当我们的两三分钟等待变成10、20、30分钟时，我们注意到蜜蜂开始冒泡了!事实证明，我们的蜜蜂最近喝了很多花蜜，花蜜还在它的胃里。把一只满是花蜜的蜜蜂抽到真空中需要一段时间，所以我们决定把它拿出来，砍掉它的头——这是由哈米什专业完成的——然后看看蜜蜂的叮咬。当我们打开电子束时，屏幕上开始闪烁出一个蜜蜂蜇伤的黑白图像，哈米什解释了我们看到的是什么。

哈米什-是的，他把倒刺弄得很好。好吧。所以这些东西是向后指向的倒刺，这就是它如何刺进你的身体。这是一只工蜂。当工蜂把刺刺进你体内时——实际上是——当它们飞走时，它们会把刺留在你体内。所以蜜蜂在蜇了你之后就会死去。这只是蜜蜂的情况，我们在这里看到的是原因。我们在她的刺末端有这些向后指向的小倒刺。它有点像鱼钩——你很容易地把它推进去，但当你试图把它拉出来的时候，它就出不来了。