有哪些神一般的实验设计？第1页

chengchuyang 网友的相关建议:

昨天参加了鄙校一年一度的国际纳米大会，听了一众大牛的报告，包括去年的炸药奖William Moerner讲超分辨荧光，收获颇多。

最感兴趣的是北卡的教授Joseph DeSimone讲的CLIP（Continuous liquid interface production of 3D objects，连续液相界面3D打印）技术，其实验设计精妙，和目前常用的3D打印过程相比算得上是符合题意，特来分享一波。这位教授也是因这项发明昨天获了个奖，25万美元怒抄腰包（口水。。。

原文今年三月发表在Science上：

Continuous liquid interface production of 3D objects

3D打印应该是近几年大火的技术，已经有不少小型的商用产品了，鄙实验室也买了一台（目前已经在吃灰状态）

上图是打印的一个分子的晶体模型，可以看到明显的纹理结构，因为是塑料喷头一层一层的堆叠出来的，说是3D打印，其实是2D打印不断重复。弊端很明显，打印速度非常慢，即使是上图这个不到10厘米的小物件也打了接近10个小时。打印得也比较粗糙，如果要更加精细就得减小每层的厚度，于是需要的层数又要大大增加导致时间更长。另外由于是层状堆积，打印物件在不同方向上的强度是不一样的。

回到Joseph DeSimone发明的CLIP技术，基本化学原理是用光引发的自由基聚合反应使液态的小分子单体反应生成高分子固化。学过自由基反应的同学应该都知道，自由基反应要在无氧的环境下进行，因为氧气是自由基淬灭剂。

PI是光引发剂，被光激发后会生成自由基引发单体R聚合，氧气能淬灭引发剂自由基，也能产生过氧化物阻碍聚合反应进行。

Joseph DeSimone教授反其道而行之，在有氧气的情况下进行聚合反应，但是通过控制光激发的区域和氧气浓度和扩散等参数，让一部分的区域因氧气淬灭不发生聚合反应，另一部分的区域则氧气淬灭不足聚合可以进行实现了在液相中的连续3D打印。

这是他们所设计的3D打印机示意图，整个打印是在一个装满液态单体和光引发剂的池子里进行的。池子的底部有一个Teflon AF 2400做的对紫外光透明并且可以让氧气渗透的窗口，打印的时候有氧气不停从底部渗出，因扩散经过一段距离会达到非常低的浓度，这构成一个很薄的氧气层，它保证了紫外光仅能够激发氧气层之上的聚合反应从而固化液体，这也就意味着在聚合反应发生界面的下方还会有一个氧气层厚度的可流动的原料。池子上方的仪器会把正在打印中的物品以一定速率慢慢向上拉，而紫外光在底部也同步调整照射的形状以在物品底部不断生长出新的部分。光照改变聚合反应的引发区域，失去引发的区域氧气淬灭再次占主导，则反应停止。

最终效果目前来看是极好的，从Joseph DeSimone展示的应力分析来看，各个方向几乎一致，没有层状堆积的各向异性。可以做到非常精细（到几十个微米）的打印，关键是速度感人，可以高达纵向50厘米/小时，下图中的埃菲尔铁塔模型几分钟就能打出来。

Science原文附有打印时的实时录像，肉眼可见的提升速度！眼睁睁的看着各种魔性的物体从一池液体中诞生，颇有魔法的既视感！

https://www. youtube.com/watch? v=n_6C8TaBkW4

（youtube视频，需科学上网）

Joseph DeSimone教授在TED也讲过，链接在此：

Joseph DeSimone: What if 3D printing was 100x faster?

（只有10分钟，推荐感兴趣的看，很直观）

======更新======

离这篇文章发出来才短短一年，商业化的仪器已经做出来了。

具体可以去Carbon 3D的网站了解：

http:// carbon3d.com/

yang-michael-91 网友的相关建议:

很难设计？那就回归自然！

米勒-尤里实验（Miller-Urey experiment）是一项模拟假设性早期地球环境的实验，研究目的是测试化学演化的发生情况。尤其是针对亚历山大·欧帕林（Alexander Oparin）与J. B. S. 霍尔丹（J. B. S. Haldane）的学说进行检验，该学说认为早期地球环境使无机物合成有机化合物的反应较易发生。

米勒-尤里实验是关于生命起源的经典实验之一，由芝加哥大学的史丹利·米勒与哈罗德·尤里于1953年主导完成，其结果以《在可能的早期地球环境下之氨基酸生成》（A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions）为题发表

[1][2]

。米勒实验对后来探索前生物分子的非生物合成具有相当大的启发性，至今依然是教科书中关于生命起源的经典实验。

实验图解。右下烧瓶模拟海洋环境，左上烧瓶则模拟闪电。

在实验中，研究者将水（H2O）、甲烷（CH4）、氨（NH3）、氢气（H2）与一氧化碳（CO）密封于无菌状态下的玻璃管于烧瓶内，并将其连结形成一个回路。装置中的一个烧瓶装着半满的液态水，另一个则含有一对电极。首先将液态水加热促使其蒸发，进而产生水蒸气；而另一烧瓶的电极通电后会产生火花，以模拟闪电。水蒸气经过电极之后，又再度凝结并重回原先装水的烧瓶中，使实验得以循环进行。

于实验开始一周后的观察中发现，约有10%到15%的碳以有机化合物的形式存在。其中2%属于氨基酸，以甘胺酸最多。而糖类、脂质与一些其他可构成核酸的原料也在实验中形成；核酸本身，如DNA或RNA则未出现。在实验中产生的各种化合物皆同时有左式与右式之镜像异构物。（声明：一般报道将“左式 L-form”“右式 D-form”误译为“左旋”“右旋”，事实上几乎所有生物化学的教材均说明生物氨基酸为“左式 L-form”，但却大多为“右旋光性”）

除了上述实验之外，米勒还进行了其他相关的实验，但这些实验都没有发表，产物也没有进行分析。2008年，11名科学家重新分析了米勒-尤里实验留下的实验瓶样品，借助于高效液相色谱和质谱技术，他们发现该实验产生的有机化合物比原先报道的要多。

[4]

有机物数量最多的是一个模拟

火山爆发

情景的实验：水蒸气推动着其他气体进入一个经过改造的烧瓶中，加入抽气装置，使气体流动的速度加快。在电火花的作用下，水分子在这种情况下可以均裂生成羟基自由基，再加之其他分子参与的反应，该实验一共得到了22种氨基酸，5种胺，以及很多

羟基化

的化合物。

[5]

氧硫化碳

可以帮助这些氨基酸缩合形成

多肽

。这些进一步的研究为化学演化的假说提供了证据，使生命起源的问题再次回归焦点。

[6]

米勒实验证明：由无机物合成小分子有机物是完全有可能的。

参考来源，维基百科http://zh.m.wikipedia.org/wiki/%E7%B1%B3%E5%8B%92-%E5%B0%A4%E5%88%97%E5%AF%A6%E9%A9%97#undefined

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延迟选择实验。（我不是物理专业的，放上来纯粹觉得美，求轻拍）

普林斯顿1979年纪念爱因斯坦诞辰100周年大会上，大神约翰惠勒John Wheeler(没错黑洞这个词就是他第一次提出来的）。自那以后很多对于延迟选择的实验证明和解释出现过。虽然本质是变种的杨氏双缝，但第一次看还是心脏停跳了半拍，因为它挑战了我对于时空和因果的认识。

确切来说，它比传统双缝实验更简单暴力地挑战了我对【未来观察者的观察行为是否影响量子过去的选择？】这个问题的认识。（评论里有人提到这个实验的重点是光的粒子性与波动性是否能同时存在，我不否认这是所有双缝实验的重点，但约翰惠勒提出的加强版之所以神，原因就在于有了这样反直觉的可能性解读）

经典的杨氏双缝实验：
让光子一个个地发出，在前一个光子打在屏上之后，再让后一个光子发出。少量光子将在屏上形成随机分布的图案。随着光子的增多，屏上逐渐显示出与光子流（光波）的情形相同的干涉条纹来。
某个可能的解释是：光子是以波的形态通过狭缝的，故能与自己干涉。在打到屏上之前，又变成一个粒子，随机落到屏上某点。而这个随机点又遵从某种几率分布，使得大量光子呈现出干涉条纹。

仍然让光子逐一发出，但是将双缝中的一个遮挡起来。少量光子仍然随机分布，而大批光子则呈现出单缝的衍射条纹。单缝时衍射，双缝时干涉。问题是，单个的光子怎么知道前面是单缝还是双缝，从而做出运行规迹的选择？

某个可能的解释是：每个光子都以波的状态通过缝隙，不论是单缝还是双缝。如果是双缝，就和自己干涉，如果是单缝，就自己衍射。但是这个解释仍然没有解释：光子怎么知道前面是单缝还是双缝。

而延迟选择就是让疯狂来得更猛烈一些：

约翰惠勒自己是尼尔斯玻尔的学生，也曾和爱因斯坦一起合作过统一场论的研究。他本人对相对论和量子物理的贡献都巨大，而这个实验带来的轰动效应也导致前赴后继的实验物理学家们想方设法设计实验证明了延迟选择的真实性。比如，

2012年中科院量子信息重点实验室的量子惠勒延迟选择实验，就作为封面文章发表在9月的《自然—光子学》上。英国著名量子物理学家Adesso教授和Girolami教授在同期杂志的“新闻与观察”栏目以《波-粒叠加》为题，撰文评述了这一研究成果。《自然—物理学》杂志也以《选择的问题》为题，在“研究亮点”栏目报道了该成果。

量子通信与量子计算相关研究取得一系列突破――重新定义波粒二象性

如图，光线以45度角入射到半透镜A，根据光量子假设各有50%的概率沿着1或2路径前进。现在加上两个全反射镜使其改变方向，再聚合于B点，而在两个方向上安装光检测器 R1和R2，则两个都会接收到50%的光子。现在在B点插入一块半透镜，那么两个方向的光子会发生干涉，可以调整光程使得到达R1的光子为0%，而到达R2的光子为100%。

如果不插入半透镜B，按照保留定域性的量子理论观点，光子经由确定的线路1或2传播，最终在检测器R1或R2处得到光子的信号。如果插入半透镜B，我们观测手段发生改变，光子立即以量子迭加态同时经两条线路穿过B并发生干涉。

如果不在B点处插入半透镜，光子就沿着某一条路而来，反之它就同时经过两条路，关键取决于B是否插入半透镜。但可以在一个光子经过A之后再决定是否插入半透镜B。这就是延迟选择。

这个实验神奇之处除了物理意义，还在于它的哲学诠释挑战了我对因果关系和观察者的认知。

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PS. 有关于实验引发的哲学问题，我想说，量子物理学家们自己都没有统一立场，就算是哥本哈根解释也只是比例比较大的学派罢了。BBC曾采访过当代顶尖的8个量子物理学家，他们对量子物理有关的佯谬有不同尝试性的解决和诠释，有兴趣的可以看看采访集录

原子中的幽灵 (豆瓣)

。

PPS. 2013年，来自马克思普朗克光学研究所、维也纳大学物理系等几所大学的物理学家曾合作展开过一项调查，调查了Quantum Physics and the Nature of Reality与会者对量子物理的理解，摘要在ScienceNews网上，

Poll of quantum physicists shows agreement, disagreement and something in between

原文献

http:// arxiv.org/pdf/1301.1069 v1.pdf

摘几个调查结果贴着，

Q：你最喜欢的解释？

A：哥本哈根（42%）多世界理论（18%）量子信息论（24%）客观塌缩（9%）贝氏解释（认为波函数是观察者的统计公式而已）（6%）关系性量子力学解释（6%）其他（12%）无观点（12%）