“一不小心”活到200岁 太平洋岩鱼的长寿秘诀人类可否借鉴
别看细胞只有十几微米大小，在这“方寸”之间藏着诸多影响衰老的因素。细胞器里的线粒体、内质网、溶酶体等，细胞核里很多调控细胞转录的组蛋白以及DNA的甲基化等，都会影响细胞的衰老。
——刘林 南开大学生命科学学院教授
古往今来，人类探索长生不老的脚步一直未曾停歇。然而对于扭转生老病死的自然规律，人类至今依然难以企及。但是，随着现代科学的不断发展，人体衰老的本质正在逐步被我们发现，延缓衰老的方法似乎也开始有迹可循。
有些太平洋岩鱼可以活200多岁，是已知最长寿的脊椎动物之一，而一些太平洋岩鱼则只能活10多岁。近日在《科学》杂志上发表的一篇文章中，研究者比较了生活在太平洋沿岸水域的近三分之二岩鱼物种的基因组，揭示了使它们寿命大相径庭的一些基因差异。
对衰老的理解从细胞开始
我们肉眼可见的衰老从皮肤长皱纹，眼睛变“花”，每年体检身体的“小毛病”越来越多开始。而让我们身体产生这一系列变化的秘密就藏在我们身体里的每个小细胞中。
“细胞衰老是机体衰老的根本原因，衰老一般从微小的基因层面开始。”南开大学生命科学学院刘林教授介绍，别看细胞只有十几微米大小，在这“方寸”之间藏着诸多影响衰老的因素。细胞器里的线粒体、内质网、溶酶体等，细胞核里很多调控细胞转录的组蛋白以及DNA的甲基化等，都会影响细胞的衰老。
细胞衰老与染色体端粒密切相关。端粒对于染色体来说就像“鞋带末端的保护帽”，由于缺乏端粒酶的作用，具有保护性的端粒会随着细胞每次DNA复制变得越来越短，最终端粒长度缩短至无法保护DNA免遭损伤，继而导致基因组DNA不断突变或丢失，从而加速人体衰老，并引起众多疾病，因此端粒又被称为“生命分子时钟”。
参与细胞代谢的主要细胞器线粒体，也是调控细胞衰老的重要细胞器。“线粒体在进行能量代谢过程中会产生非常重要的分子，参与基因的调控、转录等正常活动。”刘林介绍，线粒体能量代谢异常，其在呼吸链上就会产生很多自由基离子之类的氧化物，如果我们体内的抗氧化还原酶不能及时清除这些氧化物，它们就会“六亲不认”，氧化包括线粒体本身在内的很多结构，还会进入细胞核，影响基因组DNA。如DNA和端粒体都容易被氧化，受到损伤，这也是目前公认的关于线粒体引起衰老的一个理论。
与此同时，端粒缩短也会影响线粒体。刘林解释，端粒缩短、不能发挥正常功能时就会激活一些分子，影响线粒体的功能，通过分子调控使线粒体的功能下降。“线粒体的功能越好，氧化物越少，端粒则越稳定，寿命也就越长，反之则相反。”
线粒体会氧化细胞膜和内膜系统，因此，细胞器里的内质网也会因细胞衰老发生退行性改变。帮助线粒体和内质网进行相互交流的一类重要调控物质是钙离子。线粒体和内质网间有孔道连接，通常细胞外的钙离子进入细胞内需要靠细胞膜运输到细胞质，而后流入细胞内质网。内质网上含有特异的离子调控通道，且和线粒体靠得很近，所以当内质网排放一部分钙离子到细胞质去调控细胞代谢，会有部分跑到线粒体中，调控线粒体功能。如果内质网或线粒体有一个方面功能出现缺陷，就会导致过多的钙离子被释放到细胞质内，导致细胞死亡。反之，钙过度流失导致钙缺乏，也会影响细胞的正常工作。异常钙释放以及钙缺乏都会导致细胞的衰老。
刘林表示，只有维持一定钙离子水平，保持细胞的钙震荡，细胞质里游离的钙离子可在细胞器中有效储存，工作时再释放出来，才能保证细胞正常工作，这种调控可以有效延缓细胞衰老。
各种路径寻找破译衰老密码
人类一直努力从各条路径寻找破译衰老的密码。近期，科学家们不断在衰老研究领域取得新进展。
譬如，中国科学院动物研究所的刘光慧团队找到了“保持细胞年轻态”的分子开关，可以通过重设衰老的表观遗传时钟，使细胞老化的节奏放缓。“刘光慧团队找到的新型人类促衰老基因KAT7是一个调控表观遗传的基因，当这个开关开启时，人的细胞就会衰老，而当这个开关关闭时，人的细胞衰老速度就会减缓，甚至在一定程度上逆转细胞衰老。”刘林解释，生物体内存在一些调控衰老的基因，这已经成为现代医学的共识。比如，一些基因的主要功能是监控细胞状态，及时引发细胞衰老或死亡，从而防止细胞癌变。而这类基因的表达调控失调会导致身体衰退的加速。另外在衰老的过程中，封印在我们基因组中的一些重复序列，甚至是内源病毒元件会被激活。它们会激发细胞的天然免疫反应，引发组织甚至机体的慢性炎症，导致衰老。
关于DNA损伤修复的研究一直没有停止。“DNA损伤会导致细胞衰老。年轻的细胞有较强的DNA修复机制，无论是碱基对还是整个片段，都可以很好地进行自我修复。”刘林介绍，但是一旦损伤太多，比如遭受化疗药物、辐射的伤害，细胞就无法自我修复。DNA损伤后，一些DNA片段会从细胞核跑到细胞质中，引起细胞一系列免疫炎症反应。
“即使知道DNA碱基突变怎么修复，如何将其用于抗细胞衰老以及理解其中的调控机制等依旧非常棘手。”刘林认为，基因修复和基因编辑在进行体外实验时有一些方法，但要将其用于体内细胞，安全有效性还需大量研究。
此外，近年来通过表观遗传抑制转座子，不让它在基因组上活化，也是重要的抗衰老研究方向。人类基因组包含数万种转座子序列——遗传单位的一种，如果抑制被解除，其会跳跃于基因组中。长期以来被看作垃圾DNA的一部分的转座子，现在被证实可以影响基因表达，包括引起细胞衰老的基因表达，同时受损的DNA片段也会游离于细胞质中，引发免疫炎症反应，对细胞衰老产生很大影响。
细胞器溶酶体的调控作用也是目前新的衰老研究方向。刘林介绍，细胞衰老后，会产生很多垃圾留在细胞里。细胞不清除这些垃圾，就会造成细胞的衰老或死亡。要保证细胞的年轻，就要及时把这些垃圾清除，不让它损伤细胞器和基因组。
细胞里的溶酶体，可以通过细胞自噬或线粒体自噬，经由被膜系统把垃圾包裹起来，然后再消化清除或排到细胞外。“应用这个原理，已有部分小分子候选药物处于市场开发阶段，这些小分子能够清除细胞衰老所产生的垃圾，对于衰老延缓、肿瘤治疗可能都有一定的帮助。”刘林介绍。
新研究证实炎症与人类衰老有关
在此次《科学》上发表的研究中，研究人员从88个岩鱼物种中采集了组织样本，并采用测序技术对它们的基因组进行了测序。该团队发现，寿命较长的物种拥有更多的免疫调节基因，特别是一组被称为嗜乳脂蛋白的基因。
研究人员还通过在寿命较长的鱼类中寻找更常见的DNA变异，来揭示哪些因素与人类衰老相关。最终科研人员发现了137个与长寿相关的基因变异，排除一些与寿命无直接影响的基因变异后，最终确定与长寿相关的其他变异主要涉及到3种类型基因：修复DNA的基因数量增加；调节胰岛素的多个基因中的变异；调节免疫系统的基因的富集。
“这项研究再次证实，炎症是一切的根源。免疫系统参与调节炎症，而炎症的增加与人类衰老有关。”刘林解释，肿瘤一开始也是源于炎症，衰老也是源于炎症，炎症发生的主因可能是线粒体功能出现问题，可能是细胞器内的垃圾没有清除，或者是内源、外源病毒造成的，端粒体缩短、损伤的端粒也会诱发炎症反应。
这项研究结果与之前延缓衰老的研究方向一致，如DNA的修复，调节免疫力等。通过这项研究，可以把一些基因作为与年龄相关损伤的治疗靶点。
正如这项研究的研究者所说：“我们有机会观察大自然，看看自然适应是如何影响寿命的，然后思考同样的基因如何在我们自己的身体中发挥作用。”
来源：科技日报
别看细胞只有十几微米大小，在这“方寸”之间藏着诸多影响衰老的因素。细胞器里的线粒体、内质网、溶酶体等，细胞核里很多调控细胞转录的组蛋白以及DNA的甲基化等，都会影响细胞的衰老。
——刘林 南开大学生命科学学院教授
古往今来，人类探索长生不老的脚步一直未曾停歇。然而对于扭转生老病死的自然规律，人类至今依然难以企及。但是，随着现代科学的不断发展，人体衰老的本质正在逐步被我们发现，延缓衰老的方法似乎也开始有迹可循。
有些太平洋岩鱼可以活200多岁，是已知最长寿的脊椎动物之一，而一些太平洋岩鱼则只能活10多岁。近日在《科学》杂志上发表的一篇文章中，研究者比较了生活在太平洋沿岸水域的近三分之二岩鱼物种的基因组，揭示了使它们寿命大相径庭的一些基因差异。
对衰老的理解从细胞开始
我们肉眼可见的衰老从皮肤长皱纹，眼睛变“花”，每年体检身体的“小毛病”越来越多开始。而让我们身体产生这一系列变化的秘密就藏在我们身体里的每个小细胞中。
“细胞衰老是机体衰老的根本原因，衰老一般从微小的基因层面开始。”南开大学生命科学学院刘林教授介绍，别看细胞只有十几微米大小，在这“方寸”之间藏着诸多影响衰老的因素。细胞器里的线粒体、内质网、溶酶体等，细胞核里很多调控细胞转录的组蛋白以及DNA的甲基化等，都会影响细胞的衰老。
细胞衰老与染色体端粒密切相关。端粒对于染色体来说就像“鞋带末端的保护帽”，由于缺乏端粒酶的作用，具有保护性的端粒会随着细胞每次DNA复制变得越来越短，最终端粒长度缩短至无法保护DNA免遭损伤，继而导致基因组DNA不断突变或丢失，从而加速人体衰老，并引起众多疾病，因此端粒又被称为“生命分子时钟”。
参与细胞代谢的主要细胞器线粒体，也是调控细胞衰老的重要细胞器。“线粒体在进行能量代谢过程中会产生非常重要的分子，参与基因的调控、转录等正常活动。”刘林介绍，线粒体能量代谢异常，其在呼吸链上就会产生很多自由基离子之类的氧化物，如果我们体内的抗氧化还原酶不能及时清除这些氧化物，它们就会“六亲不认”，氧化包括线粒体本身在内的很多结构，还会进入细胞核，影响基因组DNA。如DNA和端粒体都容易被氧化，受到损伤，这也是目前公认的关于线粒体引起衰老的一个理论。
与此同时，端粒缩短也会影响线粒体。刘林解释，端粒缩短、不能发挥正常功能时就会激活一些分子，影响线粒体的功能，通过分子调控使线粒体的功能下降。“线粒体的功能越好，氧化物越少，端粒则越稳定，寿命也就越长，反之则相反。”
线粒体会氧化细胞膜和内膜系统，因此，细胞器里的内质网也会因细胞衰老发生退行性改变。帮助线粒体和内质网进行相互交流的一类重要调控物质是钙离子。线粒体和内质网间有孔道连接，通常细胞外的钙离子进入细胞内需要靠细胞膜运输到细胞质，而后流入细胞内质网。内质网上含有特异的离子调控通道，且和线粒体靠得很近，所以当内质网排放一部分钙离子到细胞质去调控细胞代谢，会有部分跑到线粒体中，调控线粒体功能。如果内质网或线粒体有一个方面功能出现缺陷，就会导致过多的钙离子被释放到细胞质内，导致细胞死亡。反之，钙过度流失导致钙缺乏，也会影响细胞的正常工作。异常钙释放以及钙缺乏都会导致细胞的衰老。
刘林表示，只有维持一定钙离子水平，保持细胞的钙震荡，细胞质里游离的钙离子可在细胞器中有效储存，工作时再释放出来，才能保证细胞正常工作，这种调控可以有效延缓细胞衰老。
各种路径寻找破译衰老密码
人类一直努力从各条路径寻找破译衰老的密码。近期，科学家们不断在衰老研究领域取得新进展。
譬如，中国科学院动物研究所的刘光慧团队找到了“保持细胞年轻态”的分子开关，可以通过重设衰老的表观遗传时钟，使细胞老化的节奏放缓。“刘光慧团队找到的新型人类促衰老基因KAT7是一个调控表观遗传的基因，当这个开关开启时，人的细胞就会衰老，而当这个开关关闭时，人的细胞衰老速度就会减缓，甚至在一定程度上逆转细胞衰老。”刘林解释，生物体内存在一些调控衰老的基因，这已经成为现代医学的共识。比如，一些基因的主要功能是监控细胞状态，及时引发细胞衰老或死亡，从而防止细胞癌变。而这类基因的表达调控失调会导致身体衰退的加速。另外在衰老的过程中，封印在我们基因组中的一些重复序列，甚至是内源病毒元件会被激活。它们会激发细胞的天然免疫反应，引发组织甚至机体的慢性炎症，导致衰老。
关于DNA损伤修复的研究一直没有停止。“DNA损伤会导致细胞衰老。年轻的细胞有较强的DNA修复机制，无论是碱基对还是整个片段，都可以很好地进行自我修复。”刘林介绍，但是一旦损伤太多，比如遭受化疗药物、辐射的伤害，细胞就无法自我修复。DNA损伤后，一些DNA片段会从细胞核跑到细胞质中，引起细胞一系列免疫炎症反应。
“即使知道DNA碱基突变怎么修复，如何将其用于抗细胞衰老以及理解其中的调控机制等依旧非常棘手。”刘林认为，基因修复和基因编辑在进行体外实验时有一些方法，但要将其用于体内细胞，安全有效性还需大量研究。
此外，近年来通过表观遗传抑制转座子，不让它在基因组上活化，也是重要的抗衰老研究方向。人类基因组包含数万种转座子序列——遗传单位的一种，如果抑制被解除，其会跳跃于基因组中。长期以来被看作垃圾DNA的一部分的转座子，现在被证实可以影响基因表达，包括引起细胞衰老的基因表达，同时受损的DNA片段也会游离于细胞质中，引发免疫炎症反应，对细胞衰老产生很大影响。
细胞器溶酶体的调控作用也是目前新的衰老研究方向。刘林介绍，细胞衰老后，会产生很多垃圾留在细胞里。细胞不清除这些垃圾，就会造成细胞的衰老或死亡。要保证细胞的年轻，就要及时把这些垃圾清除，不让它损伤细胞器和基因组。
细胞里的溶酶体，可以通过细胞自噬或线粒体自噬，经由被膜系统把垃圾包裹起来，然后再消化清除或排到细胞外。“应用这个原理，已有部分小分子候选药物处于市场开发阶段，这些小分子能够清除细胞衰老所产生的垃圾，对于衰老延缓、肿瘤治疗可能都有一定的帮助。”刘林介绍。
新研究证实炎症与人类衰老有关
在此次《科学》上发表的研究中，研究人员从88个岩鱼物种中采集了组织样本，并采用测序技术对它们的基因组进行了测序。该团队发现，寿命较长的物种拥有更多的免疫调节基因，特别是一组被称为嗜乳脂蛋白的基因。
研究人员还通过在寿命较长的鱼类中寻找更常见的DNA变异，来揭示哪些因素与人类衰老相关。最终科研人员发现了137个与长寿相关的基因变异，排除一些与寿命无直接影响的基因变异后，最终确定与长寿相关的其他变异主要涉及到3种类型基因：修复DNA的基因数量增加；调节胰岛素的多个基因中的变异；调节免疫系统的基因的富集。
“这项研究再次证实，炎症是一切的根源。免疫系统参与调节炎症，而炎症的增加与人类衰老有关。”刘林解释，肿瘤一开始也是源于炎症，衰老也是源于炎症，炎症发生的主因可能是线粒体功能出现问题，可能是细胞器内的垃圾没有清除，或者是内源、外源病毒造成的，端粒体缩短、损伤的端粒也会诱发炎症反应。
这项研究结果与之前延缓衰老的研究方向一致，如DNA的修复，调节免疫力等。通过这项研究，可以把一些基因作为与年龄相关损伤的治疗靶点。
正如这项研究的研究者所说：“我们有机会观察大自然，看看自然适应是如何影响寿命的，然后思考同样的基因如何在我们自己的身体中发挥作用。”
来源：科技日报
什么是吹塑工艺？
核心提示： 现代吹塑技术源于上世纪三十年代，经过多年的发展，已发展成为继注塑和挤出之外的第三大塑料加工方法，吹塑技术与注塑相比较
现代吹塑技术源于上世纪三十年代，经过多年的发展，已发展成为继注塑和挤出之外的第三大塑料加工方法，吹塑技术与注塑相比较，设备造价低，可成型复杂的中空制品，广泛应用于包装，软料业及玩具、汽业制造等行业，这里先对较常用的吹塑技术做以概述。
一、吹塑技术概论
1. 注射拉伸吹塑及挤出拉伸吹塑
2. 挤出吹塑
3. 注射吹塑
二、吹塑件设计及吹塑材料
1.设计要点
2.吹塑材料
三、吹塑模具设计
四、吹塑缺陷及排除方法
1、注塑拉伸吹塑
注塑拉伸吹塑技术目前应用比注吹更为广泛，这种吹塑方法实际也是注射吹塑，只不过增加了轴向拉伸，便吹塑更加容易及能耗降低。注拉吹可以加工制品的体积比注吹要大一些，吹制的容器体积在0.2~20L，其工作过程如下：
①先注塑型坯，原理同普通注塑。
②再将型坯转至加热调温工序，使型坯变软。
③转至拉—吹工位，合模。型芯内推杆沿轴向拉伸型坯，同时吹气使型坯贴紧模壁并冷却。
④转至脱模工位取件。
另外，挤出拉伸吹塑也很常用，甚至比注拉吹应用更广泛，与注拉吹不同的是，其成型型坯是用挤出的方法成型的，有余料及飞边，没有注拉吹精度高。
无论是注射吹塑或注拉吹，挤拉吹塑，其都分为一次成型及两次成型法工艺，一次成型法自动化程度高，型坯的夹持及转位系统要求精度高，设备造价高。一般大多厂家都使用两次成型法，即通过注塑或挤出先成型型坯，再将型坯放入另一台机械(注吹机或注拉吹机)吹出成品，生产效率较高。
注拉吹机
2、挤出吹塑
挤出吹塑是吹塑成型中应用多的一种吹塑料方法，其可以加工的范围很广，从小型制品到大型容器及汽车配件，航天化工制品等，加工过程如下：
①先将胶料熔融，混炼，熔体进入机头成为管况型坯。
②型坯达到预定长度后，吹塑模具闭合，将型坯夹在两半模具之间。
③吹气，将空气吹入型坯内，将型坯吹胀，便之贴紧模具型腔成型。
④冷却制品。
⑤开模，取走已冷硬的制品。
挤出吹塑加工过程图示如下：
3、注射吹塑：
注塑吹塑是综合了注射成型与吹塑特性的成型方法，目前主要应用于吹制精度要求较高的饮料瓶及药瓶及一些小型的结构零件等。
①在注塑工位，先注塑出型胚，加工方法同普通注塑。
②注塑模开模后，芯棒连同型坯移动到吹塑工位。
③芯棒把型坯置于吹塑模之间，合模。接着，压缩空气通过芯棒中间吹入型坯内，吹胀使之贴紧模壁，并使之冷却。
④开模，芯棒转至脱模工位，将吹塑件取出之后，芯棒再转入注射工位循环。
注吹机的工作过程:
注塑吹塑有以下优缺点：
优点：制品强度相对较高，精度高。容器上不形成接合缝，不需修整，吹塑件透明度及表面光洁度较好，其主要运用于硬质塑料的容器与广口容器。
缺点：机器的设备造价很高，能耗大，一般只成型容积比较小的容器（500ml以下），不能成型形状复杂的容器，难以成型椭圆形制品。
吹塑产品设计
1．设计概论：吹塑制品广泛应用于各行业，尤其是饮料及药品包装业得到大量的应用，玩具业应用亦很广泛，如吹制婴儿奶瓶，中空浮水件，圣诞节灯罩，玩具游艇，儿童学行车配件及一些大型玩具，如滑梯轨道、基座等。
随着产品要求的不同，产品设计的重点亦不同，对玩具类产品吹塑制品更偏重对安全性及物理测试（拉、扭、掷及应力开裂的考量），而对容器类制品，则更注重及耐压、耐腐蚀及有良好的阻透性的要求。
一般地，吹塑制品的拐角，棱角处都要做成R过渡，如圆形容器，其边角的小R为容器直径的1/10。制件的R过渡可使制品壁厚均匀。尖角处的吹胀比比较大容易造成壁厚不均匀，另，锐角处也容易产生压力开裂。
另外，随着制品要求不同，亦可增加一些抗压、拉、扭方面的结构设计，如要使制品增加纵向抗压力，可沿受力方向设计一些加强筋，如要改善制品的抗瘪陷性能，也可将表面设计成利于受力的弧状结构并辅以加强筋，瓶类制品肩部要斜一些，不能太平直。一般瓶底做成内凹形状增加强度及放置稳定性。例如，我们通常见到的盛装食用油的瓶子，表面常常有一些凹凸的形状，除可增加瓶体强度外，也有利于贴商标等。
2．吹塑材料简介：
吹塑技术之所以发展及应用如此广泛，与吹塑材料的发展是相辅相承的，吹塑材料已由初的LDPE、PET、PP及PVC制品逐渐发展可以吹塑工程塑料、橡胶、以及一些复合材料。
①各种吹塑料方面对胶料的特殊要求：
A．对挤出吹塑，由于吹塑是在粘流态下进行的，所以为减少型坯垂伸，优化壁厚分布，通常用分子量较大的塑料。
B．对注射吹塑，吹塑是在高弹态下进行，为减少注塑型坯能耗，使用一些易于流动的塑料（分子量较小的塑料）。
C．对注射拉伸吹塑，一般使用非结晶塑料，因非结晶塑料分子间缠结力较小，更易于拉伸。虽然PET也结晶，但其仍是主要的拉伸吹塑材料，其结晶速度相当慢。
总之，吹塑级塑胶绝大部分都具有中等至较高的分子量分布。
②吹塑材料简介：
A．聚烯烃类：如HDPE、LLDPE、LDPE、PP、EVA一般用于吹塑工业用制品，容器及玩具配件，化学药品的贮存容器等。
B．热塑性聚脂：PETG、PETP主要用于吹制碳酸饮料包装瓶、酒瓶等已逐步取代PVC而被广泛应用，缺点是其成本较高，主要用于注拉吹塑。
C．工程塑料：ABS、SAN、PS、PA、POM、PMMA、PPO等已被逐渐应用在汽车、医药、家电、化工等行业，尤其是PC及其共混塑胶，可吹制高档的容器及汽车用品（PC/ABS等）。
D．热塑性弹性体的吹塑：通常有SBS、SEBS、TPU、TPE等吹塑做胶料。而热固性塑料及硫化橡胶及交联PE是不能进行吹塑加工的。
E．挤出吹塑应用广泛，可成型从小到体积强在原容器，几乎所有吹塑级的原料都可用挤吹工艺加工。
注射吹塑常用材料有PE、PET、PVC、PP、PC及POM，主要用于成型精度要求较高，体积较小的容器及结构件。
注射拉伸吹塑常用的材料是PETP、PVC、PP、PAN，尤以PETP常用，而PC、PS、PA也可用于此工艺。
F. 几乎所有的吹塑级工程塑料都有
吸湿性，加工前需预先干燥，特别是PET、PC、PA，烘料对制品外观品质影响很大，要在密闭的干燥器中烘料。
吹塑模具及主要辅件设计要点：
吹塑模具结构图：
模具通常只有型腔部分，没有凸模，模具表面一般不需做硬化处理。型腔所承受的吹胀压力较注塑要小很多，一般为0.2~1.0MPG。模具造价较低。
1．模具材料：通常使用铝合金制造，而对于有腐蚀性的胶料如：PVC和POM，也使用铍铜或铜基合金。
对于寿命要求较高的模具，如吹塑工程塑料ABS、PC、POM、PS、PMMA等需用不锈钢来制做模具。
2．模具设计要点：
①分型面一般要放置在对称面上，减小吹胀比，如椭圆形制品，分模面在长轴上，距形制品，则通过中线。
②型腔表面应稍微有点粗糙，特别对PE料，幼砂表面有利于排气。
而对于工程塑料(ABS、PS、POM、PMMA、NYLON等)的吹塑，其模具型腔一般不能喷砂可在模腔分模面处做排气槽，或在型腔上做排气孔，一般型腔上的排气孔直径为φ0.1~φ0.3,长度为0.5~1.5mm。对大型制品，排气针则使用较广泛(即钻较大的孔，在孔内镶针，靠排气针与孔之间间隙排气)
③型腔尺寸：
型腔尺寸的设计要考虑塑料的收缩率。
④切断刃口和尾料槽是挤出吹塑模具上的典型特征，一般地，对吹塑工程塑料及较硬质的塑料，切断刃口处要用耐磨性好的材料，如铍铜，不锈钢等来制造。
而对于LDPE、EVA等软质塑制制品，一般铝合金则可以了，切断刃口要选择合理的尺寸，过小会降低接缝处强度，过大则无法切断及分模面处夹口大，而在切断刃口下方开尾料槽，尾料槽处设计成夹角，切断时可将少量熔体挤入接合缝，从而提高接合缝处强度。
⑤带螺纹的瓶类制品，切断瓶口的余料靠模颈圈与剪切块来实现，进气针同时也决定瓶口内径的尺寸。
⑥注射吹塑模具的设计不同于挤出吹塑，主要区别是，注吹模不需切断刃及尾料槽，注吹件的型坯设计非常重要，其直接关系到成品品质。
⑦注吹模具——型坯设计原则
ａ.长径长≤10/1
ｂ.吹胀比3/1～4/1(制品尺寸与型坯尺寸的比值)
ｃ.壁厚2～5.0mm
ｄ.按制品的形状，在吹胀比大的地方，壁厚要厚，而在吹胀比小的地方，壁厚要薄一些。
ｅ.对椭圆比大于2/1的椭圆形容器，芯棒需设计成椭圆形，对小于2/1有椭圆制品，圆形芯棒就可以成型椭圆容器。
⑧注吹模具主要介绍其芯棒及模颈圈两个主要结构
芯棒也是型坯的凸模，它也带动注射型坯从一个工位转至另一个工位，芯棒用碳素工具钢加硬制成，其表面要沿脱方向抛光，要求更高的则要镀硬铬，芯棒中间有吹气孔及调温系统等结构。
颈圈的作用是固定芯棒包住并保护注塑成型的螺纹部分，以避免其变形，而模腔体则是制品形状及尺寸的成型结构，其材料选择前面已简述。
⑨挤出型坯机头的类型
有三种形式：如图，平直式、发散式及收敛式。一般常用发散式和收敛式。收敛式用于较小的制件，而发散式用于较大的制件，收敛式及发散式结构可以通过轴向调节芯棒来调节型坯壁厚。
型坯口模与芯棒尺寸的计算公式如下：
a.机头口模直径：Dd≈0.5Dn (Dn为瓶颈部或小直径)
b.机头芯棒直径：Dm= (Db:瓶体直径，b:瓶径Db处的瓶子壁厚)
c.按质量计算芯棒尺寸：Dm=
(W:质量，L：制品长度，P：塑料密度)
以上公式是基于LDPE料及吹瓶，其它挤吹件的型坯口模及芯棒设计也可参考，一般地，工程塑料(ABS/PS/POM/PMMA/PA等)，所用机头的模口间隙要比通用塑料大一些。
通常机头流道要设计成流线型，表面抛光或镀铬。一般把芯棒做成分体式，便于快速更换，以改变模口直径。
常用吹塑胶制膨胀率数据：
⑨吹气杆设计：
吹气杆的结构根据模具结构及制品要求而定，一般进气杆孔径的选取范围是：
L<1 ：孔径φ1.5 ； 4>L>1 ：孔径φ6.5 ；200>L>4 ：孔径φ12.5
(L：为容积，单位为升).
Proe培训之吹塑吹气气压：
吹塑工艺控制要点及缺陷排除：
①对于挤出吹塑，要留意控制型坯的垂伸现象及皱缺陷。如垂伸太长，则壁厚会减小且切除的余料也增多，如垂伸不够，型坯太短，则无法吹胀。
而皱折现象则是型坯下降到一定长度时，由于型坯上部容体不能承受型坯自重而产生圆周应力而发生，一般地，熔体强度较高，型坯直径膨胀小，挤出速率高及模口间隙大一些均有助于改善皱折。
②另一问题是型坯下降时，壁厚不均，通常在机头口模上装有六方螺母，可以用来调节芯棒与口模的间隙。
③要获得良好的制件表质量，一定要注意排气，如PE料在模表面喷砂，喷砂粒度小于180#，而硬质塑料的吹塑模做排气孔，排气针及排气槽等，另外，提高吹胀压力对改善制品外观亦有帮助。
核心提示： 现代吹塑技术源于上世纪三十年代，经过多年的发展，已发展成为继注塑和挤出之外的第三大塑料加工方法，吹塑技术与注塑相比较
现代吹塑技术源于上世纪三十年代，经过多年的发展，已发展成为继注塑和挤出之外的第三大塑料加工方法，吹塑技术与注塑相比较，设备造价低，可成型复杂的中空制品，广泛应用于包装，软料业及玩具、汽业制造等行业，这里先对较常用的吹塑技术做以概述。
一、吹塑技术概论
1. 注射拉伸吹塑及挤出拉伸吹塑
2. 挤出吹塑
3. 注射吹塑
二、吹塑件设计及吹塑材料
1.设计要点
2.吹塑材料
三、吹塑模具设计
四、吹塑缺陷及排除方法
1、注塑拉伸吹塑
注塑拉伸吹塑技术目前应用比注吹更为广泛，这种吹塑方法实际也是注射吹塑，只不过增加了轴向拉伸，便吹塑更加容易及能耗降低。注拉吹可以加工制品的体积比注吹要大一些，吹制的容器体积在0.2~20L，其工作过程如下：
①先注塑型坯，原理同普通注塑。
②再将型坯转至加热调温工序，使型坯变软。
③转至拉—吹工位，合模。型芯内推杆沿轴向拉伸型坯，同时吹气使型坯贴紧模壁并冷却。
④转至脱模工位取件。
另外，挤出拉伸吹塑也很常用，甚至比注拉吹应用更广泛，与注拉吹不同的是，其成型型坯是用挤出的方法成型的，有余料及飞边，没有注拉吹精度高。
无论是注射吹塑或注拉吹，挤拉吹塑，其都分为一次成型及两次成型法工艺，一次成型法自动化程度高，型坯的夹持及转位系统要求精度高，设备造价高。一般大多厂家都使用两次成型法，即通过注塑或挤出先成型型坯，再将型坯放入另一台机械(注吹机或注拉吹机)吹出成品，生产效率较高。
注拉吹机
2、挤出吹塑
挤出吹塑是吹塑成型中应用多的一种吹塑料方法，其可以加工的范围很广，从小型制品到大型容器及汽车配件，航天化工制品等，加工过程如下：
①先将胶料熔融，混炼，熔体进入机头成为管况型坯。
②型坯达到预定长度后，吹塑模具闭合，将型坯夹在两半模具之间。
③吹气，将空气吹入型坯内，将型坯吹胀，便之贴紧模具型腔成型。
④冷却制品。
⑤开模，取走已冷硬的制品。
挤出吹塑加工过程图示如下：
3、注射吹塑：
注塑吹塑是综合了注射成型与吹塑特性的成型方法，目前主要应用于吹制精度要求较高的饮料瓶及药瓶及一些小型的结构零件等。
①在注塑工位，先注塑出型胚，加工方法同普通注塑。
②注塑模开模后，芯棒连同型坯移动到吹塑工位。
③芯棒把型坯置于吹塑模之间，合模。接着，压缩空气通过芯棒中间吹入型坯内，吹胀使之贴紧模壁，并使之冷却。
④开模，芯棒转至脱模工位，将吹塑件取出之后，芯棒再转入注射工位循环。
注吹机的工作过程:
注塑吹塑有以下优缺点：
优点：制品强度相对较高，精度高。容器上不形成接合缝，不需修整，吹塑件透明度及表面光洁度较好，其主要运用于硬质塑料的容器与广口容器。
缺点：机器的设备造价很高，能耗大，一般只成型容积比较小的容器（500ml以下），不能成型形状复杂的容器，难以成型椭圆形制品。
吹塑产品设计
1．设计概论：吹塑制品广泛应用于各行业，尤其是饮料及药品包装业得到大量的应用，玩具业应用亦很广泛，如吹制婴儿奶瓶，中空浮水件，圣诞节灯罩，玩具游艇，儿童学行车配件及一些大型玩具，如滑梯轨道、基座等。
随着产品要求的不同，产品设计的重点亦不同，对玩具类产品吹塑制品更偏重对安全性及物理测试（拉、扭、掷及应力开裂的考量），而对容器类制品，则更注重及耐压、耐腐蚀及有良好的阻透性的要求。
一般地，吹塑制品的拐角，棱角处都要做成R过渡，如圆形容器，其边角的小R为容器直径的1/10。制件的R过渡可使制品壁厚均匀。尖角处的吹胀比比较大容易造成壁厚不均匀，另，锐角处也容易产生压力开裂。
另外，随着制品要求不同，亦可增加一些抗压、拉、扭方面的结构设计，如要使制品增加纵向抗压力，可沿受力方向设计一些加强筋，如要改善制品的抗瘪陷性能，也可将表面设计成利于受力的弧状结构并辅以加强筋，瓶类制品肩部要斜一些，不能太平直。一般瓶底做成内凹形状增加强度及放置稳定性。例如，我们通常见到的盛装食用油的瓶子，表面常常有一些凹凸的形状，除可增加瓶体强度外，也有利于贴商标等。
2．吹塑材料简介：
吹塑技术之所以发展及应用如此广泛，与吹塑材料的发展是相辅相承的，吹塑材料已由初的LDPE、PET、PP及PVC制品逐渐发展可以吹塑工程塑料、橡胶、以及一些复合材料。
①各种吹塑料方面对胶料的特殊要求：
A．对挤出吹塑，由于吹塑是在粘流态下进行的，所以为减少型坯垂伸，优化壁厚分布，通常用分子量较大的塑料。
B．对注射吹塑，吹塑是在高弹态下进行，为减少注塑型坯能耗，使用一些易于流动的塑料（分子量较小的塑料）。
C．对注射拉伸吹塑，一般使用非结晶塑料，因非结晶塑料分子间缠结力较小，更易于拉伸。虽然PET也结晶，但其仍是主要的拉伸吹塑材料，其结晶速度相当慢。
总之，吹塑级塑胶绝大部分都具有中等至较高的分子量分布。
②吹塑材料简介：
A．聚烯烃类：如HDPE、LLDPE、LDPE、PP、EVA一般用于吹塑工业用制品，容器及玩具配件，化学药品的贮存容器等。
B．热塑性聚脂：PETG、PETP主要用于吹制碳酸饮料包装瓶、酒瓶等已逐步取代PVC而被广泛应用，缺点是其成本较高，主要用于注拉吹塑。
C．工程塑料：ABS、SAN、PS、PA、POM、PMMA、PPO等已被逐渐应用在汽车、医药、家电、化工等行业，尤其是PC及其共混塑胶，可吹制高档的容器及汽车用品（PC/ABS等）。
D．热塑性弹性体的吹塑：通常有SBS、SEBS、TPU、TPE等吹塑做胶料。而热固性塑料及硫化橡胶及交联PE是不能进行吹塑加工的。
E．挤出吹塑应用广泛，可成型从小到体积强在原容器，几乎所有吹塑级的原料都可用挤吹工艺加工。
注射吹塑常用材料有PE、PET、PVC、PP、PC及POM，主要用于成型精度要求较高，体积较小的容器及结构件。
注射拉伸吹塑常用的材料是PETP、PVC、PP、PAN，尤以PETP常用，而PC、PS、PA也可用于此工艺。
F. 几乎所有的吹塑级工程塑料都有
吸湿性，加工前需预先干燥，特别是PET、PC、PA，烘料对制品外观品质影响很大，要在密闭的干燥器中烘料。
吹塑模具及主要辅件设计要点：
吹塑模具结构图：
模具通常只有型腔部分，没有凸模，模具表面一般不需做硬化处理。型腔所承受的吹胀压力较注塑要小很多，一般为0.2~1.0MPG。模具造价较低。
1．模具材料：通常使用铝合金制造，而对于有腐蚀性的胶料如：PVC和POM，也使用铍铜或铜基合金。
对于寿命要求较高的模具，如吹塑工程塑料ABS、PC、POM、PS、PMMA等需用不锈钢来制做模具。
2．模具设计要点：
①分型面一般要放置在对称面上，减小吹胀比，如椭圆形制品，分模面在长轴上，距形制品，则通过中线。
②型腔表面应稍微有点粗糙，特别对PE料，幼砂表面有利于排气。
而对于工程塑料(ABS、PS、POM、PMMA、NYLON等)的吹塑，其模具型腔一般不能喷砂可在模腔分模面处做排气槽，或在型腔上做排气孔，一般型腔上的排气孔直径为φ0.1~φ0.3,长度为0.5~1.5mm。对大型制品，排气针则使用较广泛(即钻较大的孔，在孔内镶针，靠排气针与孔之间间隙排气)
③型腔尺寸：
型腔尺寸的设计要考虑塑料的收缩率。
④切断刃口和尾料槽是挤出吹塑模具上的典型特征，一般地，对吹塑工程塑料及较硬质的塑料，切断刃口处要用耐磨性好的材料，如铍铜，不锈钢等来制造。
而对于LDPE、EVA等软质塑制制品，一般铝合金则可以了，切断刃口要选择合理的尺寸，过小会降低接缝处强度，过大则无法切断及分模面处夹口大，而在切断刃口下方开尾料槽，尾料槽处设计成夹角，切断时可将少量熔体挤入接合缝，从而提高接合缝处强度。
⑤带螺纹的瓶类制品，切断瓶口的余料靠模颈圈与剪切块来实现，进气针同时也决定瓶口内径的尺寸。
⑥注射吹塑模具的设计不同于挤出吹塑，主要区别是，注吹模不需切断刃及尾料槽，注吹件的型坯设计非常重要，其直接关系到成品品质。
⑦注吹模具——型坯设计原则
ａ.长径长≤10/1
ｂ.吹胀比3/1～4/1(制品尺寸与型坯尺寸的比值)
ｃ.壁厚2～5.0mm
ｄ.按制品的形状，在吹胀比大的地方，壁厚要厚，而在吹胀比小的地方，壁厚要薄一些。
ｅ.对椭圆比大于2/1的椭圆形容器，芯棒需设计成椭圆形，对小于2/1有椭圆制品，圆形芯棒就可以成型椭圆容器。
⑧注吹模具主要介绍其芯棒及模颈圈两个主要结构
芯棒也是型坯的凸模，它也带动注射型坯从一个工位转至另一个工位，芯棒用碳素工具钢加硬制成，其表面要沿脱方向抛光，要求更高的则要镀硬铬，芯棒中间有吹气孔及调温系统等结构。
颈圈的作用是固定芯棒包住并保护注塑成型的螺纹部分，以避免其变形，而模腔体则是制品形状及尺寸的成型结构，其材料选择前面已简述。
⑨挤出型坯机头的类型
有三种形式：如图，平直式、发散式及收敛式。一般常用发散式和收敛式。收敛式用于较小的制件，而发散式用于较大的制件，收敛式及发散式结构可以通过轴向调节芯棒来调节型坯壁厚。
型坯口模与芯棒尺寸的计算公式如下：
a.机头口模直径：Dd≈0.5Dn (Dn为瓶颈部或小直径)
b.机头芯棒直径：Dm= (Db:瓶体直径，b:瓶径Db处的瓶子壁厚)
c.按质量计算芯棒尺寸：Dm=
(W:质量，L：制品长度，P：塑料密度)
以上公式是基于LDPE料及吹瓶，其它挤吹件的型坯口模及芯棒设计也可参考，一般地，工程塑料(ABS/PS/POM/PMMA/PA等)，所用机头的模口间隙要比通用塑料大一些。
通常机头流道要设计成流线型，表面抛光或镀铬。一般把芯棒做成分体式，便于快速更换，以改变模口直径。
常用吹塑胶制膨胀率数据：
⑨吹气杆设计：
吹气杆的结构根据模具结构及制品要求而定，一般进气杆孔径的选取范围是：
L<1 ：孔径φ1.5 ； 4>L>1 ：孔径φ6.5 ；200>L>4 ：孔径φ12.5
(L：为容积，单位为升).
Proe培训之吹塑吹气气压：
吹塑工艺控制要点及缺陷排除：
①对于挤出吹塑，要留意控制型坯的垂伸现象及皱缺陷。如垂伸太长，则壁厚会减小且切除的余料也增多，如垂伸不够，型坯太短，则无法吹胀。
而皱折现象则是型坯下降到一定长度时，由于型坯上部容体不能承受型坯自重而产生圆周应力而发生，一般地，熔体强度较高，型坯直径膨胀小，挤出速率高及模口间隙大一些均有助于改善皱折。
②另一问题是型坯下降时，壁厚不均，通常在机头口模上装有六方螺母，可以用来调节芯棒与口模的间隙。
③要获得良好的制件表质量，一定要注意排气，如PE料在模表面喷砂，喷砂粒度小于180#，而硬质塑料的吹塑模做排气孔，排气针及排气槽等，另外，提高吹胀压力对改善制品外观亦有帮助。
这种材料有望替代硅[疑问]
自从一种被称为拓扑绝缘体的新材料问世以来（这一发现帮助获得了 2016 年诺贝尔物理学奖），研究人员一直对其的电子应用的可能性很感兴趣，例如超低能晶体管、癌症扫描激光器和超越5G的自由空间通信。拓扑绝缘体的不寻常名称源于其内部绝缘和外部导电：在拓扑绝缘体的外边界上，电或（在某些情况下）光很容易绕过角落和缺陷，并且几乎没有损失。
令人惊讶的是，拓扑绝缘体似乎只是第一代奇异的电和光半金属、超导体和其他形式的物质。尽管这些奇怪的、有时甚至是古怪的化合物目前可能令人困惑，但研究人员发现这些材料具有特殊的特性，可以开发成未来的技术。
拓扑学是数学的一个分支，它探索与变形无关的形状的性质。例如，一个形状像甜甜圈的物体可以变形为杯子的形状，这样甜甜圈的孔就变成了杯子把手上的孔。然而，物体不可能在不改变成根本不同的形状的情况下失去洞。
研究人员利用拓扑学的见解，于 2007 年开发了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面快速移动的电子受到“拓扑保护”，这意味着电子流动的模式将在面对任何干扰时保持不变可能会遇到。
拓扑材料如何进入未来的电子和光子学？以下是一些可能的路线。
电子拓扑绝缘体
澳大利亚科学家表示，基于电子拓扑绝缘体的晶体管可以帮助计算机节省大量能源。墨尔本莫纳什大学的物理学家 Michael Fuhrer 说：“我们预计拓扑晶体管可以取代传统的半导体晶体管，并且对于相同尺寸的晶体管使用更少的能量。”
为了将数据表示为 1 和 0，电子设备会在一种电状态和另一种电状态之间切换晶体管，这种切换需要最少量的电压。研究人员探索了用电子拓扑绝缘体代替用于制造晶体管的传统半导体。当这些材料表现正常时，它们的导电边缘可以充当晶体管的“导通”状态。但是当施加电场时，它们不再像电子拓扑绝缘体那样起作用，因此不再具有导电边缘，从而充当晶体管的“关断”状态。
通过使用正确的拓扑材料，科学家们计算出拓扑晶体管可以消耗标准晶体管的一半电压和四分之一的能量。“今天的计算使用了世界电力的 8% 到 10%，并且每十年翻一番，”Fuhrer说。“所以我们需要一种新技术来提高计算机芯片的效率。拓扑晶体管可以做到这一点。”
拓扑晶体管的一个可能候选者是铋，一种排列在蜂窝晶格中的单层铋原子。研究人员刚刚开始在实验室中研究铋，因此还没有将其制成晶体管。其他材料尚未合成。“这项工作需要很多时间，我们不希望我们设想的晶体管明年或什至在这十年内出现在你的 iPhone 中，”Fuhrer说。
光子拓扑绝缘体
2009年，科学家们开发出光子拓扑绝缘体，其中的光同样受到拓扑保护。这些材料的结构导致特定波长的光沿其外部流动而不会损失或散射，即使在拐角和缺陷周围也是如此。
第一个找到实际用途的拓扑绝缘体实际上可能是光子的，而不是电子的。一种可能的应用可能是包含拓扑保护的激光器，与传统设备相比，它可能显示出更好的效率和对缺陷的稳健性。这样的好处将提高数量和加工后使用的设备的一致性，新加坡南洋理工大学电学和光学工程师Qi Jie Wang说。
科学家们从由砷化镓和砷化铝镓层制成的芯片开始。当充电时，芯片发出明亮的光。研究人员在芯片上钻了一系列孔，每个孔都类似于一个四角被修剪掉的等边三角形。在这个格子周围，研究人员钻了额外的相同形状但方向相反的孔。来自芯片的光沿着不同组孔之间的边界流动，并作为激光束从附近的通道发出。事实证明，这种制程可以抵御缺陷，包括科学家钻出的额外孔。“我们能够创造光可以通过而没有散射损失或反射的光子结构，”王说。
这种激光以太赫兹频率工作，这对于癌症筛查和机场安全扫描非常有用。王和他的同事目前正在探索使用夹在一起的铟镓砷和铟铝砷层来发射中红外波长的拓扑激光器，这对于检测和分析空气污染物、激光雷达传感器或 5G 以外的自由空间通信等应用非常有用。然而，他指出 COVID-19 大流行推迟了实验工作。
拓扑超导体
尽管拓扑绝缘体在其外部拥有受拓扑保护的电子或光子，但一类不寻常的被称为拓扑超导体的超导体可能在其表面拥有难以捉摸的理论粒子，可以推动量子计算的重大进步。
拓扑超导体通常由与半导体耦合的超导金属制成。这些材料之间的相互作用可以产生Majorana fermions,，这是它们自己的反粒子的长期理论粒子。
Majorana fermions,可以用作量子位或量子位，这是大多数量子计算机的核心——理论上可以在瞬间执行比宇宙中原子更多的计算的机器。量子比特通常是脆弱的，但拓扑超导体的Majorana fermions可以证明拓扑保护不受干扰，科学家认为这一特性可能会导致实用的量子计算机。“拓扑量子比特是人们对拓扑超导感兴趣的最重要原因，”马里兰大学帕克分校的凝聚态理论家张瑞兴说。
然而，到目前为止，还没有确凿的证据证明拓扑超导体或Majorana fermions的存在，张说。2018年微软支持的一项研究声称找到了这两者的有力证据，但这项工作最终在 2021 年被撤回。
尽管如此，研究人员仍对证实拓扑超导体的存在抱有希望。张和他的同事建议检查铁基超导体的薄膜，而其他人则建议使用石墨烯等材料。“我非常乐观，我们将在未来几年内实现Majorana物理学，”张说。
拓扑半金属
拓扑半金属就其导电或导热能力等特性而言，介于金属和绝缘体之间。世界各地的科学家越来越多地发现，这些材料具有非凡的特性，例如几乎无耗散的电流以及比任何其他材料都能够将更多的光转化为电能的能力，这暗示了广泛的潜在应用，例如超低电力电子设备和废热发电。
存在多种令人眼花缭乱的拓扑半金属，例如狄拉克半金属、外尔半金属、多重费米子半金属等，每一种在拓扑上都与其他半金属不同。传统半金属可以通过温度变化或化学成分的轻微调整轻松转化为金属或绝缘体，而拓扑半金属尽管温度或成分发生变化，但仍顽固地保持其半金属性质。
物理学家说，就像石墨烯，电流可以在拓扑半金属流几乎零耗能的，有可能使他们对超低功耗的电子有用的正木内田在东京工业大学。物理学家说，与此同时，研究人员可以在理论上有所不同拓扑半金属的厚度来调整自己的特性，而原子薄的石墨烯具有有限的厚度和设计的目的因此不太灵活。
拓扑半金属还可以显示出乎意料的特性，例如，在波士顿学院的物理学家肯伯奇和他的同事们发现，钽砷化可以本质上产生的10倍以上之多电流从光作为任何其它材料。这种效应发生在中红外光下，这表明砷化钽可用于化学和热成像。“你也可以想象将热物体作为废能发出的红外辐射转化为有用的电能，”伯奇说。
几十年来，科学家们可能忽视了许多拓扑半金属的显着特征。麻省理工学院的理论物理学家本杰明·维德(Benjamin Wieder)和他的同事最近刚刚在单硅化钴和类似材料中发现了这种特性 ，研究人员已经研究了近 70 年。
“拓扑材料发现和应用的未来可能不在于新材料的设计，而是......重新发现具有被忽视特性的有趣材料，”Wieder说。“如果你知道去哪里找，下一个非常受欢迎的固态材料可能会藏在一张有70年历史的纸里。 https://t.cn/R9600FI
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研究人员利用拓扑学的见解，于 2007 年开发了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面快速移动的电子受到“拓扑保护”，这意味着电子流动的模式将在面对任何干扰时保持不变可能会遇到。
拓扑材料如何进入未来的电子和光子学？以下是一些可能的路线。
电子拓扑绝缘体
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为了将数据表示为 1 和 0，电子设备会在一种电状态和另一种电状态之间切换晶体管，这种切换需要最少量的电压。研究人员探索了用电子拓扑绝缘体代替用于制造晶体管的传统半导体。当这些材料表现正常时，它们的导电边缘可以充当晶体管的“导通”状态。但是当施加电场时，它们不再像电子拓扑绝缘体那样起作用，因此不再具有导电边缘，从而充当晶体管的“关断”状态。
通过使用正确的拓扑材料，科学家们计算出拓扑晶体管可以消耗标准晶体管的一半电压和四分之一的能量。“今天的计算使用了世界电力的 8% 到 10%，并且每十年翻一番，”Fuhrer说。“所以我们需要一种新技术来提高计算机芯片的效率。拓扑晶体管可以做到这一点。”
拓扑晶体管的一个可能候选者是铋，一种排列在蜂窝晶格中的单层铋原子。研究人员刚刚开始在实验室中研究铋，因此还没有将其制成晶体管。其他材料尚未合成。“这项工作需要很多时间，我们不希望我们设想的晶体管明年或什至在这十年内出现在你的 iPhone 中，”Fuhrer说。
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2009年，科学家们开发出光子拓扑绝缘体，其中的光同样受到拓扑保护。这些材料的结构导致特定波长的光沿其外部流动而不会损失或散射，即使在拐角和缺陷周围也是如此。
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拓扑超导体
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拓扑超导体通常由与半导体耦合的超导金属制成。这些材料之间的相互作用可以产生Majorana fermions,，这是它们自己的反粒子的长期理论粒子。
Majorana fermions,可以用作量子位或量子位，这是大多数量子计算机的核心——理论上可以在瞬间执行比宇宙中原子更多的计算的机器。量子比特通常是脆弱的，但拓扑超导体的Majorana fermions可以证明拓扑保护不受干扰，科学家认为这一特性可能会导致实用的量子计算机。“拓扑量子比特是人们对拓扑超导感兴趣的最重要原因，”马里兰大学帕克分校的凝聚态理论家张瑞兴说。
然而，到目前为止，还没有确凿的证据证明拓扑超导体或Majorana fermions的存在，张说。2018年微软支持的一项研究声称找到了这两者的有力证据，但这项工作最终在 2021 年被撤回。
尽管如此，研究人员仍对证实拓扑超导体的存在抱有希望。张和他的同事建议检查铁基超导体的薄膜，而其他人则建议使用石墨烯等材料。“我非常乐观，我们将在未来几年内实现Majorana物理学，”张说。
拓扑半金属
拓扑半金属就其导电或导热能力等特性而言，介于金属和绝缘体之间。世界各地的科学家越来越多地发现，这些材料具有非凡的特性，例如几乎无耗散的电流以及比任何其他材料都能够将更多的光转化为电能的能力，这暗示了广泛的潜在应用，例如超低电力电子设备和废热发电。
存在多种令人眼花缭乱的拓扑半金属，例如狄拉克半金属、外尔半金属、多重费米子半金属等，每一种在拓扑上都与其他半金属不同。传统半金属可以通过温度变化或化学成分的轻微调整轻松转化为金属或绝缘体，而拓扑半金属尽管温度或成分发生变化，但仍顽固地保持其半金属性质。
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