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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    古羅馬酒杯變色之謎

                    2014-06-22 16:11:34

                    27780

                    /佟偉平  宮夢瑩


                    藝術與科學結合時,往往能產生超凡的效果。兩千多年前,古希臘帕特農神殿的建筑師已經知道,把神殿柱子的中段建造得比頂部或底部粗,就能產生特殊的視覺效果,讓人覺得這些柱子是筆直的。文藝復興初期,畫家發現在二維表面,比如一面墻或一幅帆布上,利用精準的數學計算創造直線透視,就能繪制出三維畫面。公元4世紀,古羅馬的玻璃匠人發明了一種制作玻璃杯的精巧工藝,使酒杯在不同光照下呈現不同顏色。大約1700年后,藝術與科學再一次交匯:這古老的酒杯激發了研究人員的創意,催生了一種令人矚目的微型傳感器,幫助我們觀察用肉眼看不見的事物。

                     

                    1700年前的納米技術

                    1958年,大英博物館從羅斯柴爾德勛爵那里得到一尊高約16厘米的古羅馬玻璃杯。杯身雕刻著恢宏精美的裝飾圖案,展現了古希臘神話中酒神懲罰其反對者來庫古的場景。透雕花紋與光滑的杯體相分離,像一只籠子套在杯子外面,因此這種杯子被形象地稱作“籠杯”?,F存的籠杯不超過100件,而來庫古杯無疑是其中的精品?!斑@是古代留存下來的最為壯麗的籠杯?!迸=虼髮W藝術史學家加斯·埃爾斯納說道。

                    來庫古杯的獨特之處不僅在于杯子上的紋飾,更令人稱奇的是,它在不同的光照下會呈現不同的顏色——在反射光或環境光中,杯子呈現綠色;在透射光下,即光源直接照射時,杯子呈現紅色。

                    早在20世紀50年代,有學者就猜測來庫古杯顏色發生變化是由于玻璃里含有金屬粒子。1990年,英國倫敦大學的考古學家伊恩·弗雷斯通偶然在大英博物館實驗室的一個保險箱里,發現了幾塊散落的來庫古杯的玻璃碎片。弗雷斯通將一小塊碎片送到埃塞克斯大學,物理學家大衛·巴伯運用透射電鏡進行檢測發現,這些玻璃中含有微量的金銀合金顆粒,直徑僅為50100納米,大約相當于人類頭發直徑的千分之一。正是這些納米顆粒造就了來庫古杯變色的效果。

                    最初,弗雷斯通認為來庫古杯中存在貴金屬粒子是一個意外,杯子會變色可能是玻璃加工時摻入了廢料或熔渣的結果,因為玻璃中也含有其他金屬,如鉛、銅、銻等。但是,相關研究讓他的看法發生了改變。除了來庫古杯,學者們還發現了一些古羅馬紅綠雙色玻璃制品,包括幾個籠杯,盡管數量極其稀少而且大多殘缺不全。還有一些制作失誤的棕色玻璃制品幸存了下來,出現這種顏色的原因是金銀比例不平衡,或是納米顆粒的尺寸錯誤。

                    弗雷斯通推測,古羅馬當時一些玻璃作坊可能已經掌握了生產雙色玻璃的技術,來庫古杯就是其中的代表作。他指出,制作不透明的綠玻璃是相對基礎的工作,難點在于使玻璃透射出半透明的紅色,這需要準確控制玻璃里的金屬顆粒。由于該技術極具挑戰性,公元4世紀之后它在歐洲近乎失傳,直到17世紀末才被人重新掌握。

                    “來庫古杯是我最喜愛的古代工藝品?!备ダ姿雇ㄕf,“當你沉浸于對它的研究中,你會意識到,它不僅使用了當時最高水平的玻璃制作技術,還包含了精美的雕刻工藝。這些元素以藝術的視角被整合到一起,體現了原料和技術的完美融合。我認為這是最好的工藝?!?/font>

                     

                    10億只微型酒杯

                    古羅馬人可能是最早的納米技術專家,這確實不可思議。大約20年前,研究人員開始探討來庫古杯的變色特性能否應用在現代。美國伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的生物工程師劉剛(音譯)試圖采用和古羅馬玻璃匠人相同的技術,制造用于生化檢測的傳感器。

                    科學家會利用顏色來顯示某種物質的存在。例如,研究人員給DNA或蛋白質染上顏色使其看起來更突出,從而在顯微或亞顯微層面上來觀察樣品中物質的數量。劉剛和他的團隊相信,將納米金粒子加入塑料中,能夠模擬來庫古杯效應,創造同樣的顏色變化。

                    與以前的研究者只關注來庫古杯本身的材料特性不同,劉剛懷疑是杯子的外形使其具有特別的變色效果。該團隊以來庫古杯作為模型,開發了一個1平方厘米大小的傳感器。這個傳感器由10億個微型容器組成,每個容器的形狀都和來庫古杯相同,彼此的間隔只有100納米。

                    “我們從來庫古杯的幾何結構中學到了很多?!眲偨忉屨f,“我們把它縮小到原來的一千萬分之一。當我們在傳感器上倒入水、油、鹽水、糖水等液體,然后用光線照射傳感器,我們可以看到類似于來庫古杯的光學特性?!彼a充道:“如果僅用一塊平板玻璃,即便含有納米金粒子,也看不到明顯的顏色變化。這一發現讓人很興奮?!?/font>

                    我們無法明確地知道來庫古杯當初的使用方法和場合,但它很可能是用于宴會或酒會。根據埃爾斯納的說法,杯子上的酒神圖案很好地支持了這種解釋。劉剛懷疑,如果在來庫古杯里面倒入酒,杯子的顏色變化會更加明顯?!皩嶋H上,我或其他人都不可能往這件珍貴的古董杯里倒任何東西?!眲傂χf,“但是,當我們用酒精在傳感器上測試時,傳感器的顏色變化極為顯著。我認為古羅馬人知道這一點,并將這一知識融入杯子的外觀設計和玻璃制造中?!?/font>

                     

                    10美元的檢測儀

                    多年來,劉剛一直在研究如何利用納米技術進行疾病檢測,這種新型的微型傳感器所展現的前景讓他激動不已。目前商業化生產的生化傳感器非常昂貴且制造困難,同時需要專業的設備讀取結果。但劉剛的傳感器制造簡便且造價低廉,成本約為10美元。而且,其檢測結果通過顯而易見的顏色變化表現出來,可以使用光源進行觀察,并可以用任意一部數碼相機甚至手機來記錄結果。這使得任何人都可以方便地使用這項技術。

                    “比方說,你患有糖尿病,想要檢測自己的血糖水平。你只需要將一小滴血放在傳感器上并用燈光照射,通過顏色的變化就能判斷血糖含量的高低?!眲偨忉屨f,“如果你想尋找一種特殊的抗體,可以在傳感器上涂上唾液或其他液體,通過觀察顏色的變化即可確定樣本中是否含有這種抗體。如果抗體存在,傳感器就變為紅色;如果不存在,它依舊保持綠色?!边@種傳感器在探測化學物質方面也具有潛力,可以用來判定化學武器或爆炸物等危險品。

                    愛因斯坦在《我的世界觀》一書中寫道:“我們所能享有的最美妙的體驗就是神秘感,這是真正的科學與藝術的根源中最基礎的情感。無論是誰,如果沒有感受過它的魅力,如果不再感到好奇,不再發出驚嘆,他就無異于行尸走肉,他的眼睛就無法看清世界?!北M管來庫古杯的一些奧秘已得以破解,但是它所體現的藝術與科學的非凡結合依然在激勵著人們繼續前行。

                     

                    (本文作者佟偉平為東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室教授、博士生導師;宮夢瑩為東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室博士研究生。)


                    ——選自《科學畫報》2014年第六期


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