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量子技术的科普

从分子层面研究医学并形成理论体系及其新药物的产生,近年,分子医学已被西方主流医学界所接受,但从临床治疗结果观察,分子医学并未根本性突破医学困局。从物质极小微粒—量子层面研究医学,攻克医学难题,一直是科学家终极设想。

郑金水团队应用量子技术研究

在许多现代技术装备中应用了量子力学原理,如太阳能发电、光刻机、核磁共振医学图像显示、核弹等。量子理论在二十世纪初由普朗克、薛定谔、爱因斯坦等科学家提出并共同建立了理论体系。量子力学主要描述物质微观结构、运动与变化规律的物理科学,量子力学的发现引发了一系列划时代的科学发现与技术发明。

二十一世纪将是量子科技在各领域广泛应用的时代。我国已经在量子通讯、量子计算机领域取得非凡成就,走在世界前列。量子科技在医学领域研究突破俨然是全人类最为期待的课题之一。我和我的科学家们已经在这领域工作了二十年,非常荣幸有机会分享这方面的信息。

量子的魅影

众所周知,慢性病是全世界的医学难题,患者需长期依赖药物控制。人体的本质是一具能量系统,我们人类每天吸收食物的能量,再通过身体活动来释放能量并与周围环境进行信息交换。生命体一切活动的根源在于能量,能量的产生、传递和吸收是维持生命系统正常运作的基本条件。我们从量子力学的角度去看待生命与疾病,或许将会找到慢性病困局的突破口。

当我们来到森林里,我们会感到心情愉悦、病体减轻,这背后隐藏着什么科学原理呢。阳光光量子照到绿色植物,绿色植物在光合作用中产生光电效应,光子照射使植物产生生物电子,植物就向空间释放电子,这些植物释放的电子被空气中的氧分子所捕捉,这时的氧分子我们称之为负氧离子。氧分子携带着电子通过呼吸进入体内,随血液循环电子到达细胞,补充了细胞膜不足的电位差,加强了细胞的新陈代谢,如,加强了神经细胞的代谢,加强了病灶组织的细胞代谢,这就是我们来到森林里心情愉悦与病体减轻的科学原理。这过程包含二项重要的课题:电子的产生与电子的输送。

光照射到贵金属上,引起物质的电性质发生变化,这类光变致电的现象被称为光电效应。科学家爱因斯坦创造性解释了光电效应理论,因此荣获了1921年诺贝尔物理学奖。量子效应通常描述微观尺度下的量子化现象,大部分也是描述“能量”与“波”的量子化,如普朗克的黑体辐射、光电效应等。常见有①光电效应 ②康普顿效应③量子穿隧效应④原子能阶的量子化。

生活中人们一提到量子就觉得它高大上,其实它一直就在我们周遭发生,只是量子实在太细微,而被高大粗的人类忽略了。当物质到极小,如电子或比电子还小的,譬如光子等我们通称为量子,量子具有许多异于传统物理学的特质,譬如兼具有波、粒态,量子态最大的特性是对能量的吸收或释放是不连续的具有能阶性的,人类利用这些特性应用开发了量子科技。

量子科技的材料技术

自古人们喜爱佩戴黄金首饰,是因为黄金接触皮肤后,人体热源光子激发黄金原子跃迁出核外电子,黄金所跃迁出的电子对人体健康大有裨益,这就是人们喜爱黄金首饰的光电效应科学原理。

把黄金纳米化制成纳米黄金,再利用共振吸收原理,使电子产出增大1000倍,这种设想以现代科学材料技术是可以实现的。

郑金水团队研发的富勒烯球体衍生系列为基材的纳米复合材料,利用人体热源散发之红外线光量子激发复合材料中的纳米贵金属跃迁出电子。被人体光子照射到的材料电子会吸收光子的能量,其中机制遵循的是一种非全有即全无的量子力学准则,光子所有能量都必须被吸收,用来克服逸出功。复合材料固有频率原始即被设计成极接近人体频率,故对由基态到低激发态的跃迁而产生的电子辐射产生很强的吸收,量子力学计算表明这种跃迁的概率系数比其他跃迁的概率系数大得多。

人体皮肤具有屏障保护作用,复合芯片产出电子数量再多对内脏作用缓慢不明显,因电子会被皮肤组织屏障拦截并消耗。森林里植物释放电子主要由氧分子携带通过呼吸进入体内,只有稀少的电子从皮肤进入体内。

药物进入体内主要有3种途径即口服、打针输液、手术植入。电子从体外进入体内达到医学效应,也必需类似像针管推药一样使电子直接穿越皮肤进入体内发挥作用。

石墨烯发明人于2010年获得诺贝尔奖。纳米石墨烯的问世,为本发明解决了电子传导的难题,石墨烯具有优异电学特性,其传导电子速度是光的1/300,且电阻几乎为零。郑金水团队应用纳米石墨烯材料与纳米碳管材料组合成发射装置,使电子直接穿越皮肤到达体内器官组织,其中石墨烯起电子传导作用、纳米碳管类似针管作用把电子发射入体内,电子最深可达体内垂直距离8厘米。

石墨烯与纳米碳管组合装置之场发射主要机制为电子在高aspect ratio 纳米碳材中,利用量子穿隧效应(quantum tunneling),而穿隧到真空中。在发射之应用上,主要是利用沿著纳米碳管之管轴上之电场,使电子发射至真空中[7]。由于碳管之非常高之aspect ratio , 导致非常高之电场增益效应(field enhancement),使得累积表面电荷之场发射起始电压大幅降低。由于纳米碳管之微小半径,使得作用在碳管之电场变得相对大。

至此郑金水团队已实现电子的产出与输送体内的二大课题,特别是石墨烯与纳米碳管组合装置场发射技术研发成功,是人类首次攻克量子科技在医学上应用的最后难关。因此郑金水团队荣获国家五项医学发明专利,相关学术论文发表在国家级期刊上。

森林里的负氧离子对人体的助益,主要是氧分子所携带的电子。绿叶释放电子是以氧分子为载体进入人体发挥效应。人工制造电子及如何输送进入人体内一直是科技界的难题。

郑金水科研团队应用石墨烯与纳米碳管装置解决了电子场发射输送的世界难题,攻克了量子科技在医学上应用的最后难关。该技术难度极高,纳米碳管只在一个角度发射电子才能进入体内,固定碳管角度所用辅助材料极难提取,及微纳加工工艺极为复杂,中国人率先攻克了此世界难题。

量子通讯应用两个量子系统频率一致无论多远都会产生共振吸收交换信息,这种信息交换绝对安全,只要频率密码不被攻破。量子计算机应用量子的波粒二象性(叠加态)极大的提高算力。量子科技正在各个领域热烙研发中,希望我团队的科研成果对其他领域研究工作者在他们的研究中或许有所帮助。

我团队研发的量子科技穿戴产品已有少量产品在市场上流通,我们期待此来之不易的世界尖端高科技产品早日让更多人认知并使用,让世界前沿尖端科技惠及百姓。

二十世纪是量子理论研究阶段,二十一世纪将是量子科技应用的时代,量子科技大幕正在缓缓展开,全球各科研团队各国家力量正在布局发力,量子科技是第四次工业革命主战场的制高点。我和我的科学家们将在量子科技领域继续努力在此领域贡献绵薄力量。

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