改變世界”這個詞已經被用濫了，但對晶體管、萬維網和手機這類發明，要形容其撼動世界歷史的影響力，還有別的合適詞語嗎？的確有一些創新改變了歷史的方向。本文介紹的碳呼吸電池、手術機器人、量子衛星和另外七種創新能否產生相似的效果呢？現在下結論還為時尚早。大多數創新方案最終都失敗了，最偉大的創意往往也伴隨著最高的風險。但一個創意從引人發笑到變成大勢所趨，往往用不了多長時間。而其中有一些，顯然會帶來變革。

　　——《科學美國人》編輯部

　　1、碳呼吸電池

　　電化學電池能夠吸收大氣中的碳，將其轉化為電能。

　　單單削減溫室氣體排放量已經不足以阻止全球變暖。現在，我們必須將大氣中已經存在的二氧化碳清除一部分。好消息是，做這件事的方法有很多；壞消息是，這些方法基本上都需要消耗大量能源。

　　理想的碳封存技術應該可以產生電能，而不是消耗能量。在2016年7月發表于《科學進展》（Science Advances）上的一篇論文中，美國康奈爾大學的研究人員瓦迪·阿爾· 薩達特（Wajdi Al Sadat）和林登·阿徹（Lynden Archer）描述了一種能夠捕捉二氧化碳的電化學電池的設計方案。

　　電池的陰極材料采用的是鋁，這種金屬成本低、儲量大、易于加工。陽極由多孔碳構成，研究人員向其中注入氧氣和二氧化碳的混合物。鋁、氧氣和二氧化碳在電池內部發生反應，產生電能并生成草酸鋁。薩達特和阿徹表示，在一個1.4伏電池的生命周期中，電池所吸收的碳是制造電池時所釋放的碳的2.5倍。阿徹解釋說：“即使你把二氧化碳的主要來源都考慮進來，我們的電池的碳排放量也是負的。”

　　而碳吸收過程的化學副產品──草酸鋁也很有價值。草酸鹽可作為清潔劑和漂白劑，全球每年需求量大約為23萬噸。電化學電池每多產出一噸草酸鹽，會排放二氧化碳的草酸鹽工廠就可以少生產一噸。如果把這些減排因素考慮進去，用來制造電池的每千克鋁可以吸收3.52千克二氧化碳。

　　阿徹表示，要想把這個設計轉化為實用的技術，他和同事還有很長的路要走。首先，他們需要證明該技術的成本效益足夠高，并且規模可以擴展。阿徹預計，如果他們能成功實現這樣的轉化，將來這種電池會配備在發電站和汽車排氣管上。“這樣你不只是減少了二氧化碳，而且在利用二氧化碳。”

　　2、全新的抗生素

　　設計新型化合物的方法可用來對抗耐藥菌。

　　很難想象一個沒有抗生素的世界是什么樣的，不過因為大規模地濫用抗生素，我們正走近這樣的世界。美國疾病控制與預防中心（Centers for Disease Control and Prevention）表示，僅在美國，每年就有超過23000人因感染抗生素無法對付的病菌而死亡。英國政府資助的一項研究估計，到2050年，全世界每年會有1000萬人死于耐藥菌。科學家正苦苦尋找能殺死超級病菌的新藥，例如大環內酯類抗生素（macrolide）。大環內酯是抗生素的一大門類，可以治療一般的細菌感染，包括肺炎、鏈球菌性咽炎、耳部和皮膚感染，以及性傳播疾病。

　　研究人員已經嘗試過修改已有抗生素的化學性質，讓它們更有效地治療耐藥菌株，不過到目前為止沒有取得什么進展。大環內酯的化學結構很難修改，而且大環內酯的原材料是在裝著工業細菌的大型發酵罐里制造出來的——這個過程很難精確控制。“化學家們在過去的幾十年里一直束手無策，”哈佛大學化學和化學生物學教授安德魯·邁爾斯（Andrew Myers）表示。

　　不過，邁爾斯和他的團隊找到了從頭合成大環內酯的方法。為了合成這種化合物，研究人員把大環內酯的結構分解成8個基本模塊，然后以新的形式把它們組合起來，利用不同的組合方式調節其化學性質。邁爾斯團隊在2016年5月發表于《自然》雜志的論文中表示，他們已經合成了超過300種新型化合物。研究人員使用了14種致病細菌進行實驗，發現大多數化合物可以抑制細菌，而且有很多可以殺死耐藥菌株。

　　此后，研究人員又制造了300種新型化合物。邁爾斯成立了一家制藥公司Macrolide Pharmaceuticals，把這些新藥推向市場。研究團隊已經開始研究另外兩類抗生素：林可酰胺類抗生素（lincosamide）和氨基糖苷類抗生素（aminoglycoside）。在他們發明的化合物中，只有少部分會變成實用的抗生素，而且即使是這些抗生素也需要很長時間才能出現在藥店中。但是邁爾斯有信心，他的研究（和類似的研究）會幫助我們擊敗超級細菌。他說：“我非常樂觀，隨著我們繼續進行研究，肯定能獲得更好的結果。”

　　3、量子衛星

　　量子密鑰的天基傳輸可能會讓“不可攻破”的互聯網變為現實。

　　要建立絕對安全的加密方法，并不需要比鉛筆和紙更高級的技術：只要選擇一串隨機的字符和數字，用作加密信息的密鑰。把這個密鑰寫在一張紙上，用一次之后把紙燒掉就行。關鍵是要確保沒有人能攔截或篡改密鑰。而在互聯網上，竊取或篡改密鑰的事情一直沒斷過。量子密鑰分發（Quantum-key distribution，QKD）可以解決這個問題，該方法會從糾纏光子中生成一個一次性密鑰。糾纏光子即量子狀態相關聯的光子，如果其中一個光子受到擾動，另一個光子也會立即受到影響，無論它們之間的距離有多遠。量子密鑰分發的問題是，沒人知道如何長距離傳輸糾纏光子。然而今年8月，中國科學院成功將世界第一顆量子衛星送入軌道，為解決這個問題邁進了一大步。

　　中國科學院的項目名為量子科學實驗衛星（QUESS），是與奧地利科學院合作的項目。該項目利用衛星向中國境內相距1200千米的兩個觀測站傳輸量子密鑰，這一距離是目前最遠傳輸紀錄的8倍。原紀錄是由《科學美國人》顧問、奧地利物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的團隊于2012年創造的。天基平臺（space-based platform）是長距離傳輸的唯一選擇，蔡林格說：“地面上找不到能看到1000千米之外的地方。”現在，蔡林格正與他從前的學生、QUESS項目首席科學家潘建偉合作。

　　如果中國研究人員創造了量子密鑰傳輸距離的新紀錄，那么未來的衛星就能提供一個軌道平臺，建立起不可攻破的“量子互聯網”，物理定律可以確保加密數據包的絕對安全。蔡林格解釋說：“我們希望能建立洲際量子通信，這不再只是個科幻概念，而是未來的計算機彼此溝通的一般方式。”