“芯片大脑”技术是什么？

所谓“芯片大脑”技术在本质上说是研究人员将半导体晶圆用纳米导线打造的网络。当脑细胞被引入芯片后，他们可以使用纳米线作为支架来构建功能性神经元回路，模拟大脑中神经元的相互连接。一旦构建模拟的脑回路，研究人员不仅可以观察到神经连通性，还可以研究疾病和创伤对其造成的影响。

2017年1月，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员率先在研究中使用了这种“芯片大脑”设备。这种芯片设备能够使研究人员根据大脑中神经元位置的不同以及不同神经元之间的连接方式来识别神经元之间的差异性，特别是对精神分裂症等疾病在神经学基础层面进行研究分析。澳大利亚国立大学的研究人员后来改进了纳米导线的架构，开发出有史以来第一个能够运行的神经元电路。

而来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的最新应用研究则发现，该技术可用于研究生物和化学制剂对大脑的长期影响。目前研究小组主要关注军事人员可能会经受的化学暴露。由于创伤后应激障碍的普遍性，军事人员已经成为神经学研究最感兴趣的患者人群。

又逢世界地球日，中国科学院副院长丁仲礼曾说，地球不需要被拯救，需要被拯救的是人类自己。

在过去的一年里，加州超大山火、北极海冰缩减至 历史 记录第二低值、海洋热量创纪录等，影响了无数人的生活。二氧化碳等温室气体排放量激增导致的气候变化是人类面临的全球性问题。

一般情况下，太阳能可以通过太阳能电池转化成电能，但要在常见的太瓦级（10的12次方瓦特）电能需求层面上解决能源转化与存储问题非常困难。因此，科学家们提出了一种将太阳能转化为高密度化学能的思路，即人工光合作用。

一叶一乾坤，科学家们从植物的光合作用中得到灵感，近百年来不断 探索 如何实现人工光合作用，希望利用阳光，将水及二氧化碳转化为碳化合物与氧气，即把光能转化为化学能，储存在化合物中。 麦克阿瑟天才奖得主、美国科学院院士、世界顶尖科学家协会（WLA）会员杨培东教授 也是其中之一。

杨培东教授把他研发的人工光合作用装置称为“液体阳光”，以半导体光学二极管为基础，构建纳米“森林”，捕捉太阳光并利用空气中的二氧化碳合成有用的化学制品（包括化学燃料、药品，以及人类生存所需要的高分子材料）。此举不仅能够实现碳的0排放，还能直接降低大气中的二氧化碳含量。这项发明让杨培东教授获得了2020年全球能源奖的“非常规能源类”奖项。

植物光合作用的全反应分为两个过程，即需要阳光参与的“光反应”与不需要阳光参与的卡尔文固碳循环反应。在人工光合作用中，需要找到合适的催化剂才能实现两个反应。同时，高比表面积（指单位重量的物体的表面积大小，比表面积越大，物体细度越细）的装置也将增加太阳能转化的效率。

杨培东教授的研究团队在半导体硅的纳米导线阵列（高比表面积）中布置了两类催化剂，即光反应需要的水氧化催化剂与固碳所需要的二氧化碳还原催化剂，在半导体吸收光能后，整个系统能通过导线表面的催化剂实现光合作用的全反应。团队在2014年就通过人工光合作用成功生成了醋酸。醋酸是简单而重要的化学中间体，可利用工业技术转化成其它各类化学制品，例如汽油、前体药品等。

杨培东教授认为，人工光合作用是一个相对来说比较好的、终极的碳平衡方案，同时能够解决能源问题，包括二氧化碳排放的环境问题。

在一步步的改进工作后，目前，研究团队的人工光合作用太阳能转化效率比可达8%-10%，比自然界高出16-20倍。团队仍在继续改进催化剂以及二氧化碳还原环境（如高碱浓度体系），以进一步提升转化效率。随着这项釜底抽薪式碳中和技术的发展，未来阳光和水将成为清洁能源的来源，唯一副产物是氧气。

此外，这项研究还有更加深远的拓展和应用，如“人工固氮”和火星大气改造计划（火星大气96%为二氧化碳）。

纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。典型的纳米线的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。1根据组成材料的不同，纳米线可分为不同的类型，包括金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。纳米线均在实验室中生产，截至2014年尚未在自然界中发现。纳米线可以由悬置法、沉积法或者元素合成法制得。悬置纳米线可以通过对粗线的化学刻蚀得来，也可以用高能粒子（原子或分子）轰击粗线产生。实验室中生长的纳米线分为两种，分别为垂直于基底平面的纳米线和平行于基底平面的纳米线。生产纳米线的硅和氧在地壳层是最常见的可持续和廉价利用的元素。实验表明纳米线可以被用于下一代计算设备，例如：通过对纳米线掺杂，并对纳米线交叉可以制作逻辑门。这些在小尺度下才具备的性质使得纳米线被广泛应用于新兴的领域，例如纳电机系统（NEMS纳机电系统）。

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