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实验室学到的别样技能 - 行业动态 - - 江苏司特尔机械科技有限公司
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实验室学到的别样技能
【发布日期: 2018-03-19】 【点击数:1108】 【打印本页】 【关闭窗口】 【返回上级

就在不久前,荷兰的实验室培育出了人造牛肉汉堡,美国硅谷的汽车实验室诞生了超级电动车特斯拉,日本实验室的小发明更是层出不穷……在这个你打个盹都得赶紧刷微博,担心是不是错过了什么的年代,科技比任何时候都离我们更近。


然而,在这些科技产品的背后,那些沉默着的实验室却鲜为人知。日前,美国《大众科学》杂志推出了美国大学年度10大最酷实验室。小到无重量看不见的中微子,大到席卷天地的龙卷风;历史悠久如白垩纪的古生物化石,新潮的又有最前沿的服装材质;上溯至无尽的太空天体;下潜到地球上最神秘的洞穴……实验室里天高地阔。各个实验室研究对象虽各不相同,但相同的是,未来最尖端的科学家很可能从这里走出,下一秒我们身边随手拈来的实用产品,都可能有它们的功劳。


威斯康星大学麦迪逊分校冰立方中微子天文台


去南极点观测中微子


冰立方中微子天文台位于亚孟森-斯科特南极站的冰层之下,是世界上最大也最偏远的中微子天文台。


深埋地下2.5公里


中微子几乎是无质量的粒子,很少与物质相互作用。每秒钟有上万亿的微中子经过地球,其携带的信息或有助于解释超新星的物理性质、高能量宇宙射线的来源及神秘黑洞的成因等。


因这些微中子的路径非常微弱罕见,科学家必须在南极冰层中垂直深埋探测丝,厚厚的冰层可以阻断太阳光和宇宙射线中的光子干扰。


冰立方天文台深埋在漆黑的地下,一旦微中子碰撞到冰层中的原子,会发出微弱的蓝光,透过透明的冰层,让探测器可以比较容易观测到。


科学家们正是通过上述原理在南极冰下架设了一座名为“冰立方”的中微子天文台,这座天文台由86根装备了传感器的电缆所组成,电缆一头连在地表实验室中,另一头从冰洞向下延伸至2.5公里的深度。天文台耗资2.79亿美元,是同类天文台中最大的一座,它的使命就是去搜寻可以穿透几乎所有物质的神秘亚原子微粒——中微子。


每年4名学生现场观测


每年都有来自威斯康星大学麦迪逊分校(或来自其国际合作研究机构)的几十名大学生获得冰立方天文台研究职位。但对大部分学生来说,这个机会只意味着可以在美国或欧洲“遥控”远在南极的探测器。只有少数幸运儿,可以获得南极之旅。


经过身体检查,他们首先长途飞行72小时,到达位于南极海岸的麦克默多站(McMurdoresearchstation),然后再乘坐有滑雪装备的螺旋桨飞机,抵达850英里(约1368公里)之外南极点——冰立方中微子天文台的所在地。考虑到资金花费,威斯康星大学麦迪逊分校一般会在南极的夏季派4名学生到这个天文台工作3周。


到达之后,等他们适应了这里9000英尺(约2743米)海拔的环境,就可以去实验室观测检测器的信号了。而这时候还必须面对华氏零下20到30度(约零下29到34摄氏度)的低温环境。这项工作可能会让人非常不舒服,观察到目标的几率也非常非常小,但这些学生也有可能帮助解答宇宙中的最大难题。


加州理工学院喷气推进实验室


踏着钱学森的脚步研究太空


今年夏天,喷气推进实验室(JPL)在全美招来450名大学生,在加州帕萨迪纳市进行为期10周的实习。期间,学生们可能参与行星科学、天体物理学、天体生物学、机器人学等项目。


100名实习生会被录用


而在过去的几年间,学生们曾帮助改进用于好奇号火星探测器的设备;分析过开普勒飞船发回的数据,开普勒飞船旨在寻找潜在的可居住的地外行星;他们还分析过地球上极端环境下的生物,以猜测宇宙中生物可能的存在方式。


这些实习生“在人类知识的前沿思考,”喷气推进实验室高等教育主管阿德里安·庞塞称。一旦这些学生毕业,大约会有100名左右的前实习生会被考虑吸纳为这个实验室的正式工作人员。


钱学森参与创办


喷气推进实验室的历史可以追溯到1936年。它由当时包括钱学森在内的加州理工学院的师生创办。


当时德军在火箭研制工作中的迅速进展,使美国军方坐立不安。美国五角大楼派人前往加州理工学院,要求冯·卡门主持研制新式火箭这一重大任务,尽快提出具体方案。


冯·卡门和马林纳、钱学森等经过研究后认为,当务之急就是必须建立一个新的、大型的火箭实验室。不过,冯·卡门经过考虑,以为“火箭”这个名字最初出现在科幻小说之中,容易给人一种不严肃的感觉,所以他建议把实验室的名字改为“喷气推进实验室”简称“JPL”。


每年有两天对公众开放


1958年,美国航天局正式接管喷气推进实验室,将其主要研究任务定位于星际无人探索,目前该机构共有各类员工约5000人,此外还有不少参与特定项目研究的外聘科学家与专业人员。


喷气与推进实验室在每年的五月份的一个周末向公众开放。大众被邀请参观实验室的设施,目睹实验室有关科学技术的演示。如果事先约定好,一些有限制的参观也是被允许的。每年有数以千计的来自加州及其他各州的中学生们来参观实验室。


(下转B03版)


(上接B02版)


田纳西大学法医鉴证人类学中心


从肉身到枯骨有大学问


热播美剧《犯罪现场调查》(CSI)最新一季又将到来,这部电视用高科技进行尸检帮助破案令人印象深刻。而在这些高科技的背后,或许就有田纳西大学法医鉴证人类学中心的研究成果。


精确推测死亡时间


美国田纳西州诺克斯维尔市有一处3英亩的森林覆盖的陡峭崖壁,这里可以俯瞰田纳西河。每个学期,大约75名大学生协助田纳西大学的斯特德曼教授来这里处理尸体。斯特德曼教授研究法医鉴证人类学,钻研尸体腐烂的各种方式。


学生们协助她检测100具左右的尸体,这些捐赠来的尸体处于不同的腐烂阶段。他们的研究可能涉及食腐动物的生命周期,如绿头苍蝇、皮蠹甲虫等,进而精确推测死亡时间。


他们还会获取尸体的DNA,并测试尸体上的微生物或有毒物质,通过这些东西,专家们可以确定谋杀案件中的尸体身份,以及毒理学问题。有时,在法律允许的范围内,学生们甚至帮助斯特德曼教授还原犯罪场景以证实此前的假设,如将尸体塞进汽车行李箱等。


一旦微生物将尸体上的大多数肉都腐蚀掉后,学生们将其他尸骸带回实验室,穿上工作围裙,带上手套,学习鉴定骨头,进行骨骼的病理学研究,寻找各种不同的创伤。最后将骨骼添加到学校的收藏中:目前至少已经有1100具骨骼。


受中国古代法医启发


据这个研究机构的创始人,著名法医人类学家比尔·巴斯博士的说法,他当时是受了中国古代法医学权威宋慈的启发。


700多年前,中国有位名叫宋慈的官员,编写了一本法医调查手册——《洗冤录》。这本书提出的尸检方法令人叹为观止。如书中提到:若死因可疑,就应该在死后初期,即几个小时或几天之内进行这些程序。更重要的是,那本书还生动地描述了尸体经历几个星期、几个月后,从肉身转换为枯骨的历程。


巴斯博士称:“此后700多年间,有关死后较长时段的变化,却几乎没有其他发现或著作。”


创立故事烂尸体吓到清洁工


比尔·巴斯博士在其著作《法医鉴证实录》中谈到了创立研究机构的动因。


一次,渔夫在河中发现了一具浮尸,罗恩郡的副警长把尸体带给巴斯鉴定。死者身上的大部分衣物还在,可惜头没了,这就很难确定他的身份。更麻烦的是,在搜寻遗失的颅骨期间,尸体开始发臭——众所周知,多数大城市都有停尸间,可以存放尸体,等鉴定完成再下葬,而学校里没有这种设施。警方不想把尸体带回去,因此拜托巴斯把它留在校内。


可巴斯自己也没有冷藏设备。眼看周末到了,只得用塑胶袋把尸体裹起来,密封妥当后藏进放拖把的柜子。岂料偏偏有位清洁工进来拿拖把,打开臭烘烘的包裹并看到了里面的东西。当时,室内的所有人再加上室外开车经过的司机,全都听到了他的嘶吼。星期一上午,这位工人宣布:管你是系主任还是谁,无论在哪种情况下,都不准把烂尸体摆在拖把柜里,也不可以放在楼里的其他地方!巴斯写道:“我估计,再有一次违规,我自己的无头尸体就会被人发现了。”


一系列的挫折和刺激,终于让巴斯下定决心在田纳西大学建立全世界绝无仅有的研究机构,系统地研究死亡。“我要让大自然为所欲为,在各式各样的条件下处理尸体。科学家则会在每个阶段观察进程,记录温度和湿度等变化,并标出人体分解的时间。”他称,“简而言之,我们会继承宋慈在7个世纪之前的成果,并将它发扬光大。”


1980年秋,在学生们的帮助下,被称为“人体农场”的研究机构最终开张了。几年后,便蜚声业内。


“置身于‘人体农场’,你会感觉到这里好像是一辆大火之后,锈迹斑斑的破火车,尸体在里面慢慢腐烂。随着岁月的流逝,灰飞烟灭,尘归尘,土归土,只有在巴斯教授的精心诠释下,才会让这些的语言来谴责罪恶,伸张正义。”巴斯的《法医鉴证实录》一书的推荐语或许最能说明这个研究机构的价值所在。


北卡罗莱纳州立大学纺织品保护与舒适度研究中心


烧出来的真知灼见


北卡罗莱纳州立大学罗杰·巴克的纺织品实验室中最重要的老师是服装模特。实验室会再现真实世界中的极端环境,通过3个模特的测试,研究极端环境对纺织品的影响。模特“火人(PyroMan)”处在模仿建筑燃烧的环境中,它有122个热感应探头,当巴克将模特置于丙烷气体燃烧器中时,这些感应探头可以纪录热流情况。


模特“辐射人(RadMan)”目前正在研发中,身上有可以纪录仿真深林大火时辐射的热量。而第三种没命名的模特有热量传感器,铰接式关节以及超过100个出汗毛孔,巴克用它来测试制服和户外服装的性能。


每年大约10名北卡州立大学的大学生协助贝克处理不同研究项目。例如,2012年,贝克的一个测试小组研究杀虫剂浸泡过的军服(防止虫咬)的安全性,确定这些化学药品在环境保护署的限定范围内。


学生们甚至亲自扮演模特:一个小组的志愿者衣服上涂满冬青油——一种芥末气体仿制品,以确定受到化学武器攻击时,这种安全服不会让毒气泄漏进去。


根据实验室助理教授布赖恩·奥蒙德的说法,在这里,学生们唯一无法替代的就是放在燃烧室内的一模特“火人”。


除了测试防高温和防化学衣物之外,这个实验室还对纺织品进行舒适度测试,研究纤维材质与服装设计、气候、生理、心理等复杂的相互关系,测试吸汗性、透气性等,最终得出衣物的舒适度指标。


为航空制服提供防火标准


罗杰·巴克和其团队开发出一种独特的测试仪和测量协议,两者结合可让消防员利用身穿的防火服测量他们是否可避免或让烧伤最小化。


实际上,防火服实际上远非只有消防人员才需要。美国空军军需部舒瓦茨将军曾提出要求:飞行员穿的制服应具有更多功能,更有保护性更舒适更能防火保温。因为,美国飞行员在执行全球任务过程中或多或少遇到无法适应各种气候的问题,飞机发生故障或被击落时,防火的制服就可最大限度地保护飞行员不被烧伤。舒瓦茨将军说,顺应当前空军制服的特种需要已成为能否提高战斗力的一环。


然而,许多美国空军飞行员都反映,他们身穿的制服“过热”,过重,舒适度不够。为顺应美国空军中央司令部的需求,美军士兵研究与工程开发中心为保护飞行员不被爆炸引起烧伤,也开始研究高防火功能的制服。其中防火功能已成为空军军需部研究的重点,包括陆军士兵衬衫的防火功能都将在项目范围内。并且,舒瓦茨将军还批准,设立新的航空制服防火标准,测试标准也将重新设计。


巴克和其团队测试各种防火服的目的也正在于,开发相关数据,通过这些数据确立新的国家标准,进一步开发各种场合的保护性防火服。


(下转B04版)


(上接B03版)


新墨西哥科技大学含能材料研究与测试中心


以炸毁东西为生的学生


和大多数学生的想法不同,范·罗梅罗的学生既不想成为医生也不想成为律师。他们想以摧毁东西为生。


罗梅罗是新墨西哥科技大学研究和经济发展中心的副主任,他手下的同事需要监督学生,这些学生负责将各种爆炸物引爆,不管是C4塑胶炸药还是TNT(三硝基甲苯炸药)。


含能材料研究与测试中心占地40平方公里的含能材料研究与测试中心坐落在沙漠荒野的无人区,如此偏远的好处时,一天之内可以进行几十次爆炸物测试。


该中心建立于第二次世界大战初期,是美国最重要的炸药研究实验室之一,拥有一切必备的设施,从地雷嗅探机器人训练场地,到供学生炸毁汽车、坦克和建筑物的区域。


典型的实验室包括将数千磅的硝酸铵包裹在碳容器周围以制造工业钻石,或研究暴露在真实的爆炸中时,建筑物和物质的安全性。学生参与到研究的各个方面中,包括实施爆破,分析数据,以及构想新的测试方案。


得州理工大学风科学与工程研究中心


新技术新设计是吹出来的


得州理工大学的学生们正在尝试如何预防飓风、龙卷风及其他危险风暴带来的肆虐。通过研究极端风暴的形状和演变,以及它们造成的破坏,这些年轻的工程师可以设计出对抗风暴的建筑。


在该实验中心的残块碰撞设备上,研究团队用特制的高冲击枪,向墙体、避难室等发射飓风中最常见尺寸的木料,以测试目标材料和设计的强度。


除了抛射物体外,风科学与工程研究小组的学生也亲身投入到真正的龙卷风和飓风中。


飓风来袭之前,这些学生抢先在预测飓风即将登陆的地方安装探头,在现场建立一个流动研究中心,进行几十项测量,包括风速和风暴眼的强度。他们的仪器往往是风暴中唯一能保持完好无损的。现在风科学与工程研究中心拥有唯一一份卡特里娜飓风登陆时风暴眼强度的完整记录。


基于实验室测试和风暴期间及之后的灾难现场数据,该中心还建立了更准确的龙卷风技术测定方法,称为增强的藤田级数。它证实了最近的发现:低速风造成的破坏比之前预想的要大。利用这些研究成果,学生们设想如何使风力发电效率更高或设计能更好地抵御飓风的房屋。


今年,这个实验室的两个毕业生甚至到联邦紧急事务管理署工作,负责一个基金项目——评估今年5月袭击俄克拉何马州的龙卷风过后,风暴避难所的状况。


佛罗里达大学野生动物生态与保护中心


在非洲收集长颈鹿粪便


每年夏天,在学生们去非洲斯威士兰之前,野生动物生态学教授罗伯特总要给他们一个很长的生存提示,其中包括:营地永远要防范狒狒;不要染上疟疾;别在河流周围漂流,因为有河马、鳄鱼以及寄生吸血虫出没。


有这些知识武装头脑,佛罗里达大学的15名学生启程开始为期一个月的生态与野生动物保护研究。期间,学生们给蝙蝠戴上无线电设备,或者收集长颈鹿的粪便对其进行生殖分析。他们还可能在Malolotja自然保护区薄雾笼罩的山地寻找黑羚羊的踪迹,在低地的热带稀树草原研究黑斑羚和斑马。


他们的日常表上还有这些安排:在夜间寻找灌木丛中的灵长类动物宝宝,在邻近的南非克鲁格国家公园的实地考察。


对那些渴望在丛林中待更长时间的人来说,罗伯特教授会将其选出来,让他们在自己在斯威士兰的永久营地实习到暑期结束。


这个营地由佛罗里达大学大学毕业生运营,工作人员来自AllOutAfrica——一家非政府组织。这个项目任何佛罗里达大学的学生都可以申请,“除了一个生态学课程,我没有其他要求。我看重学生对野生动物生态学的激情,这种激情能让他们求知若渴,工作起来不知疲倦。”罗伯特教授称。


科罗拉多州立大学、科罗拉多学院丹佛自然和科学博物馆


敲敲打打发现古生物化石


美国犹他州南部有一片著名的不毛之地:有高低崎岖、形似迷宫的沙岩峭壁和峡谷,将夏日的气温放大似烤炉。然而这里并非自古就是这样。


7500万年前,白垩纪后期,这个地区是一片广阔的森林,酷似今天的得克萨斯海湾,有青蛙、蜥蜴甚至霸王龙活动。而当这些动物死后,他们就变成沉积物永久保存。结果就是,犹他州南部成为美国化石最多的地区之一。


丹佛自然和科学博物馆脊椎古生物学家约瑟夫教授每年都要来这里几次,带着学生们寻找古生物,这同时也是一次背包探险的旅行。


镐头、斧子以及气动的岩石切割机都是研究必备的工具,每次出行,学生们都得跋涉7英里到已开挖的地点,然后再走更远去寻找新的、未开凿的地址。一些开挖地点太偏,工具只能通过直升机空运过去。到现场,学生们需解开化石的真面目,如豌豆大小的蜥蜴头骨化石,整个鸭嘴龙的骨骼化石等。


大部分学生在现场只待几周,但也有学生延长时间到一两个月,将研究做成毕业论文。“这些学生已成为项目运转的关键因素,”约瑟夫称。


密苏里科技大学爆炸工程实验室


想学做炸药可没那么简单


密苏里科技大学负责这个爆炸项目研究的保罗教授近日为其学生增添了一门新课程:烟花制作。他们将可燃烧的化学物质研磨,将它们做成专业级别的烟花产品,其最终计划是做成5英寸的烟花,然后将其引爆。


学生们也可选修商业烟花和舞台烟火课程,在这些课程上,他们会学到如何设计、制作以及燃放公共场合观赏烟花,不管是用于国庆庆祝,还是在音乐会或摔跤比赛现场制造气氛,甚至还可以为电影拍摄做烟火特技。


该课程对学生的筛选过程严格程度可以与进美国中央情报局相提并论。考生必须提交一份详尽的背景审查材料,非美国公民可能还要通过烟酒火器局审查。


密苏里科技大学还设有炸药工程的科学硕士学位,是美国该类别的首个正式课程。科学硕士的课程包括聚能装药、在金属上切割或打孔做小型精密炸弹,军事中的爆炸缓和技术,甚至还有为了更好地采矿而改变地震等课程。


俄亥俄州阿克伦大学巴顿实验室


有NASA支持的黑暗洞穴研究


只有最能吃苦、最步履稳健的学生才能申请黑兹尔·巴顿实验室的荣誉论文项目。如果想成为这16个幸运的本科生之一,就必须喜欢狭窄空间、黑暗、蝙蝠,不怕被弄得脏兮兮,而这一切仅仅是为了得到细菌。


巴顿教授研究微生物,和其他学校整天摆弄显微镜和培养皿的微生物学研究不同,巴顿实验室学生的学习场所在极端微生物茁壮成长的地方:洞穴。学生们经常得去巴西的洞穴进行田野作业,这些洞穴只能身穿防蛇靴,手拿大砍刀在亚马逊丛林砍出通道进入。


通过分析洞穴中的岩石样本和洞中的微生物(许多是在岩石中吃铁为生的微生物),学生们会学到如何更好地预测这些洞穴的形成。巴顿和她的学生也研究不同微生物之间的竞争,通过敏锐的洞察,可以找到新型的抗生素。


此外,在NASA的支持下,有一些学生还曾随着巴顿对这个星球上最长的石英岩洞穴进行探索,这是一个罕见的16公里长,由粉红色和琥珀色砂岩组成的迷宫,位于委内瑞拉的洛力莫高原。


研究人员认为洞穴中盛产的微生物,可能为我们了解火星上生物的生活方式提供线索。大多数洞穴由石灰石形成,这是一种碳酸盐岩。但洛力莫高原的岩石,主要成分是硅酸盐,与火星上发现的岩石相同。


该小组收集居住在洞穴壁上的奇怪生物。回到实验室里,学生将在不同的条件下观察细菌的行为,并收集信息,以协助NASA寻找外星生命的研究。


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