科學界 11 位冉冉升起的新星

從削減太陽能發電成本到降低卵巢癌風險，本文介紹了 11 位處於職業生涯早期至中期的科學家，他們正在成為各自領域的領導者。

他們從 500 位科學家中脫穎而出，這些科學家是使用自然指數和學者聯盟全網 (WoW) 排名實力評估的。他們為認知神經科學、地質學和凝聚態物理學等一系列學科帶來了新思路。他們的主動性、好奇心和靈活性使他們在競爭激烈的研究環境中脫穎而出。

該分析包括在 2017 年在 82 種索引期刊上發表過至少一篇論文，並且第一篇科學論文發表於不到 20 年前的活躍研究人員，其中一些人甚至在過去六年才出現在學術界。

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受訪科學家的論文引用次數逐年增長，並在 WoW 排名中得分異常高，WoW 排名使用類似於 Google PageRank 的演算法來識別最具影響力的研究人員。它考慮了諸如科學家成果的質量、與行業的聯絡以及合作作者網路等因素。

DANE deQUILETTES：缺陷偵探

一位化學家正在尋找合適的材料，為那些無法獲得電力的人帶來廉價的太陽能電力。

材料科學家 Dane deQuilettes 希望幫助改造世界能源系統，特別是為那些無法可靠獲得電力的人們。這位麻省理工學院的博士後正在利用他在有前途的鈣鈦礦材料特性方面的專業知識來實現這一目標。

鈣鈦礦在太陽能電池中的效能可以與傳統的矽相媲美，並且有望製造成本更低。雖然供應全球 1.7% 電力的矽太陽能電池的成本已經下降，但它們不太可能降到足以對全球 12 億無法獲得電網電力的人產生影響的程度。

GridEdge Solar 是麻省理工學院的一個專案，由 deQuilettes 領導，旨在評估不同的輕型、柔性光伏材料，並在幾年內建立一條中試生產線來製造它們。他認為鈣鈦礦是一種有力的競爭者，它可以製成類似墨水的溶液，並像新聞紙一樣印刷在成卷的材料上。該專案由印度慈善組織塔塔信託基金資助。

deQuilettes 擁有化學背景，在華盛頓大學攻讀博士學位期間開始研究鈣鈦礦。他被它們特殊的晶體結構所吸引，研究了鈣鈦礦中單個錯位的原子如何降低其效能並抑制其在太陽能電池中的效能。在他的工作之前，尚不清楚為什麼鈣鈦礦太陽能電池的質量差異如此之大。deQuilettes 揭示了答案在於晶體材料不同區域的原子排列不同。“一旦我們瞭解了缺陷在哪裡，我們就可以制定設計策略來消除它們，並使器件的效能更加均勻，”他說。

“我對光與材料相互作用的基本物理學很感興趣，但我總是回到‘目的是什麼？’”deQuilettes 說。— 作者：Katherine Bourzac

SARAH GARFINKEL：發自內心的推理者

一位認知神經科學家揭示了身體如何驅動思維。

Sarah Garfinkel 研究了心臟跳動以及我們對其節律的意識如何影響從焦慮水平和情緒學習到睡眠質量和種族偏見等方方面面。她現在是世界上最著名的“內感受”健康後果專家之一，內感受是指對一個人內部器官活動的感知。

作為密歇根大學的博士後，Garfinkel 研究了患有創傷後應激障礙的伊拉克和阿富汗戰爭退伍軍人的記憶力。她的研究主要集中在大腦上，但一個奇怪的觀察結果讓 Garfinkel 開始思考心臟可能在情緒處理中發揮的作用。為什麼有些退伍軍人在大腦掃描器中重溫創傷經歷時，心跳保持穩定，而另一些人的心臟卻瘋狂跳動？

她與布萊頓和蘇塞克斯醫學院的神經精神病學家 Hugo Critchley 合作，揭示了人們認為自己檢測自身心跳的能力與他們的真實準確性之間的脫節。Garfinkel 隨後展示了這種不一致的重要性，她在 2016 年報告稱，自閉症患者對自身心臟的瞭解越少，他們的焦慮就越大。

在另一項研究中，她和 Critchley 發現，抑鬱症或焦慮症患者的內感受意識差與睡眠質量缺陷有關。“這現在為我們提供了一個干預目標，”Garfinkel 說。“我們希望訓練人們更好地精確控制他們的身體訊號。”

Garfinkel 現在共同領導著首批針對內感受定向療法的臨床試驗之一，評估計算機訓練模組是否可以幫助自閉症患者更好地瞭解自己的心跳，從而減輕焦慮。

Critchley 說，心理學家在一個多世紀前就已經意識到了內感受，但直到 Garfinkel 的工作，其臨床重要性在很大程度上被忽視了。“她重振了整個領域，”他說。— 作者：Elie Dolgin

BINGHUI GE：電子顯微鏡學家

一位凝聚態物理學家深入研究材料以尋找工業應用。

Binghui Ge 因回答了理查德·費曼 1959 年的挑戰而聲名鵲起：“有沒有辦法讓電子顯微鏡更強大？”透射電子顯微鏡 (TEM) 於 1931 年發明，它透過使用電子束而不是光來揭示奈米級結構特徵，大大提高了傳統光學顯微鏡的解析度。但費曼敦促研究人員將解析度提高一百倍。Ge 和中國科學院物理研究所的一個團隊利用成像理論，開發了一種使用傳統 TEM 獲取小於奈米級結構資訊的方法。他們首次提供了在較厚樣品中出現的影像失真的解析表示式，並用它來觀察單個原子。

Ge 已經轉向 TEM 的應用，以以前所未有的細節揭示催化劑和熱電材料的微觀結構。最近，他一直在探索熱電材料在多個尺度的微觀結構，以期提高它們在加熱、冷卻和發電方面的效率。這些材料可用於將車輛發動機產生的浪費的三分之二的熱量轉化為電能。

Ge 希望探索冷凍電子顯微鏡，這是一種 TEM 方法，允許科學家在不破壞樣品的情況下對三維生物分子進行成像。Ge 想知道這是否可以改善對同樣容易受到光束損傷的非生物材料（如金屬有機框架，廣泛用於催化劑）的成像。— 作者：Catherine Armitage

GUSTAF HUGELIUS：霜凍測量員

一位自然地理學家深入冰凍土壤，以填補地圖上的空白。

對於 Gustaf Hugelius 來說，地圖上的空白區域是一種挑戰。這位斯德哥爾摩大學的現代探險家，小時候每年夏天都在斯堪的納維亞北部徒步旅行，他正在尋找北極和亞北極地區的泥炭地和永久凍土區，這些地區的土壤尚未經過分析。地圖上的空白區域已將他帶到西伯利亞、格陵蘭和加拿大北部。

北極泥炭地和永久凍土佔地球碳匯的 25%。全球變暖預計將融化這些凍土，向大氣中釋放二氧化碳和甲烷，並加速氣候變化。然而，它們在碳-氣候反饋迴圈中可能發揮的關鍵作用卻知之甚少，部分原因是資料存在大量空白。

Hugelius 開創性地使用了高解析度衛星影像，並使用現場樣本進行校準，以表明北方土壤由於季節性凍融，其成分比氣候模型中使用的相對簡單的“後院”土壤型別要多變和複雜得多。反映土壤成分的多樣性以及相應的溫室氣體釋放分解過程，可以提高氣候模型的準確性。

他說，野外研究“非常艱苦”。需要獲得許可證；需要將人員、裝置和補給品運送到世界上最偏遠的地區長期停留的後勤保障；以及在冰硬的地面上鑽孔取樣的難度。更不用說北極熊的風險了。“你需要注意熊，既為了它們的安全，也為了我們的安全，”他說。

他說，資料共享不佳長期以來一直是土壤研究的一個問題。作為北方環極土壤碳資料庫（他研究區域土壤中儲存的有機碳資料集）的管理者，Hugelius 正在幫助解決這個問題，同時還與氣候建模人員合作，以便他們能夠更好地解釋模型中的不確定性。— 作者：Catherine Armitage

JAEMIN KIM：成衣設計師

一位系統工程師開發了可貼上式感測器來監測健康狀況。

Jaemin Kim 預測，有一天，像臨時紋身一樣貼在皮膚上的可拉伸感測器將監測生命體徵。如果一切按他的計劃進行，複雜而柔軟的電子裝置將賦予機器人觸覺。

來自韓國的系統工程師 Kim 在韓國科學技術院攻讀碩士學位期間，開始對可穿戴電子產品產生興趣。他說：“我嘗試透過測量雞皮疙瘩來測量情緒。”他了解到，感知變化的最佳方法不是使用典型的剛性電子裝置，而是使用可以隨皮膚移動的柔性電子裝置。

在首爾國立大學攻讀博士學位期間，Kim 開發了用於可拉伸裝置的感測器和系統，包括一種貼紙式心臟監護儀，該監護儀使用印刷的心形顯示屏來告知佩戴者她的心電圖是正常（紅心）還是不健康（藍心）。

他致力於一種柔軟的曲面影像感測器，有一天可能成為盲人視網膜植入物的基礎。但是，他說，要使這些有前途的裝置實用，還需要進行大量艱苦的工程工作。

他的出版物中介紹的柔性電子裝置必須連線到笨重的外部電子裝置和電源才能工作。

2017 年 11 月，他搬到加利福尼亞州，在斯坦福大學與 Zhenan Bao 一起擔任博士後研究員，Zhenan Bao 是設計本質上可拉伸電子材料的領先化學家之一。在 Bao 實驗室，Kim 專注於使用這些材料製造獨立的醫療和觸控感測器，這些感測器不必連線到笨重的微控制器來分析它們收集的資料。

Kim 說，他很糾結是繼續留在學術界還是擔任工業界的職位。他希望看到這項研究轉化為產品。“我想製造一些對每個人都有效的東西，”他說。— 作者：Katherine Bourzac

SILVIA MARCHESAN：微分子操控者

一位有機化學家創造了由經濟高效的自組裝蛋白製成的水凝膠。

抗菌肽由氨基酸鏈組成，是人體抵禦入侵病原體的第一道防線。這些蛋白質具有手性的幾何性質，這意味著它們不能像左右手套不適合右手一樣，覆蓋在它們的映象上。

它們的手性也決定了它們的生物活性——製藥製造商長期以來一直利用這種特性來製造具有所需特性的藥物。例如，胃灼熱藥 Nexium 由左手分子製成。它的前身藥物 Prilosec，也是由阿斯利康生產的，包括分子對的左手和右手。

這些分子通常由數百個氨基酸的長鏈組成。的裡雅斯特大學的有機化學家 Silvia Marchesan 採用了一種更精細且經濟高效的方法。她在義大利工作，使用僅三個氨基酸長的短肽，並切換單個氨基酸的手性。“這就像在左手上放一個右手指，看看我們會得到什麼樣的手，以及這隻新手錶現如何不同，”她說。

Marchesan 使用這種技術製造了三肽，這些三肽可以自組裝成具有內在抗菌特性且具有生物相容性的水基凝膠。水凝膠的超分子結構允許開啟和關閉功能的潛力，使其可用作酶替代物、身體組織修復中的支架以及藥物的持續釋放。

2013 年，Marchesan 與人合著了一篇論文，該論文描述了將自組裝三肽與一種常用抗生素結合。由此產生的水凝膠在六天內持續釋放藥物。

一篇登上 2018 年 8 月《化學》雜誌封面的論文描述了 Marchesan 調整後的三肽為何與其真實世界的類似物表現不同，以及該過程如何在從單分子到宏觀水凝膠的尺度上保持一致，這對於大規模生產非常重要。Marchesan 說，下一步是將實驗室工藝改進為可以廉價且可持續地擴大規模的工藝。— 作者：Catherine Armitage

MELISSA MERRITT：癌症偵探

一位海洋生物學家轉變為分子流行病學家，以應對卵巢癌風險。

很難在內陸佛蒙特州研究海洋生物學。因此，作為一名本科生，Melissa Merritt 離開去澳大利亞東北部的大堡礁沿岸花費一個學期研究珊瑚的繁殖能力。然而，幾年之內，Merritt 不得不放棄海洋研究，因為她暈船，轉而從事癌症研究。她的祖母患有卵巢癌，Merritt 決定致力於闡明這種婦科疾病的風險因素和遺傳驅動因素。

為了她的博士學位和博士後研究，Merritt 在澳大利亞、美國和英國的機構接受了癌症流行病學和分子生物學方面的培訓——獲得了經驗和雙重科學背景，這使她“非常擅長提出重要的研究問題”，倫敦帝國學院的前導師分子流行病學家 Marc Gunter 說。

例如，在 2015 年，Merritt 幫助開發了一種方法學方法，用於評估膳食因素在癌症中的風險。它現在被用於研究食物與各種腫瘤之間的聯絡，並且還表明咖啡攝入有助於降低女性患子宮內膜癌的風險。

在 Merritt 認為她最“重要的發現”中，她在最近的一項研究中表明，患有區域性浸潤性卵巢癌的女性如果在診斷後服用阿司匹林或布洛芬等非甾體抗炎藥，則死於該疾病的風險降低約 30%。

現在，作為火奴魯魯夏威夷大學癌症中心的教員，Merritt 已獲得資金來探索許多產品中發現的改變激素的化學物質是否會影響女性患子宮內膜癌的機率——這是一個將利用 Merritt 在基礎實驗室科學和流行病學資料分析方面的技能的專案。— 作者：Elie Dolgin

TAYLOR SCHILDGEN：氣候搖滾者

一位地質學家研究了氣候變化如何侵蝕山脈和河床。

按照地質標準，Taylor Schildgen 研究的時間尺度很短。她試圖確定氣候如何在數千年內改變地球表面。她的工作使用一種新技術，透過測量稀有同位素（稱為宇宙成因核素）的存在來確定地貌的年代。岩石樣本中這些同位素的比例使地質學家能夠估計它們的年齡和數千年來的變化率。

2017 年，德國地球科學研究中心 GFZ 和波茨坦大學的地質學家 Schildgen 與博士後 Stefanie Tofelde 發表了一篇論文，考慮了全球氣候變化對阿根廷安第斯山脈河流階地的影響。研究人員檢查了 10 萬年的冰期和間冰期迴圈。他們發現，在較冷和較溼的時期，增加的水流和沉積物在山谷中切出了深槽。盆地在較乾燥、溫暖的時期重新充滿沉積物。靠近山脈的附近河道也做出了類似的反應，但週期為 21,000 年。

Schildgen 說，這些研究可以為景觀的哪些部分會對我們正在經歷的突然氣候變化敏感提供線索。她說，結果“對洪水災害和水資源管理等事物具有重大意義”。

有時，Schildgen 的工作會讓她回到更久遠的過去。2018 年 7 月，她在《自然》雜誌上與人合著了一篇論文，駁斥了關於全球氣候與侵蝕之間聯絡的假設。她確定沒有足夠的證據表明數百萬年前冰期-間冰期迴圈的開始加速了高山地區的侵蝕。

Schildgen 將她對岩石的迷戀追溯到十幾歲時去黃石國家公園度假。2008 年在麻省理工學院完成地質學博士學位後，由於美國學術職位短缺，她在德國獲得了博士後職位。“離開美國讓我感到內疚，因為我在那裡接受了如此良好的培訓，”她說。“但我的實際情況是，我在德國得到了極好的支援。”— 作者：Smriti Mallapaty

SAHAR SHARIFZADEH：材料大師

一位計算物理學家深入研究有機材料的複雜結構。

由於其豐富性和低成本，有機分子是柔性奈米電子器件的極佳構建模組。但是，要獲得取代矽等無機半導體所需的特性，就需要深入瞭解分子在奈米尺度上的相互作用。

Sahar Sharifzadeh 採用計算建模來尋找描述這些分子相互作用的直觀方法，這可以促進有機材料的開發，其電導率可以精確控制——這是半導體的特性。

Sharifzadeh 使用這種理論方法表明，有機晶體材料中分子的排列方式強烈影響其對光的電子響應——這一見解可以提高有機太陽能電池的效率和壽命。她的計算分析也已應用於理解有前途的無機材料的結構。

2017 年，她模擬了硼的自由站立的單原子厚片，稱為硼烯。研究人員最近才在銀上生長出這種二維材料，但尚未能夠以其自由站立的形式分離出來。像其近親石墨烯一樣，硼烯有望具有出色的效能，包括強度、柔韌性和導電性。Sharifzadeh 的計算預測，硼烯的光學和電子特性可以透過拉伸或壓縮材料來精確調整。

Sharifzadeh 的家人在她八歲時從伊朗搬到美國，她最初在加州大學伯克利分校學習電氣工程和計算機科學，但她在該學位課程中學習的物理課程引起了她的想象力。她在普林斯頓大學攻讀凝聚態物理學博士學位，並在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室進行了為期兩年的奈米尺度材料博士後專案。她於 2014 年在波士頓大學建立了她的實驗室。

她不僅在建模分子的行為，還在建模高成就科學家的行為，她也是一個一歲孩子的母親。她意識到許多年輕女性擔心這兩種角色是不相容的，她很高興被看到同時扮演這兩種角色。— 作者：Catherine Armitage

OLIVIER THOUVENIN：運動追蹤器

一位生物物理學家開發了顯微鏡，用於觀察活體組織樣本。

作為巴黎私人基金會大腦與脊髓研究所 (ICM) 的暑期實習生，Olivier Thouvenin 幫助開發了一種成像技術，用於監測斑馬魚幼蟲的神經迴路。但是，該方法缺乏空間解析度，無法在單細胞水平上區分神經元之間的連線，這讓這位年輕的生物物理學碩士生感到沮喪。

因此，為了他在朗之萬研究所（距離巴黎著名的植物園邊緣兩公里）攻讀博士學位，Thouvenin 致力於改進現有的高解析度組織成像工具，稱為全場光學相干斷層掃描 (OCT)。他在原本靜態的影像採集器中添加了動態時間元素，Thouvenin 說，有了這個，“我們可以看到樣品內部移動的東西”。Thouvenin 使用他升級後的 OCT 技術來跟蹤小鼠和猴子活體視網膜組織內部亞細胞器和其他結構的運動和新陳代謝。

去年，他帶著他設計的顯微鏡回到了同一個 ICM 實驗室擔任博士後。他與神經科學家 Claire Wyart 合作，在尚未發表的研究中表明，斑馬魚幼蟲的腦脊液像人類一樣在脊柱中雙向流動。流動紊亂可能導致脊柱彎曲缺陷，無論是魚類還是人類。

Thouvenin 即將回到朗之萬研究所建立自己的實驗室，他還在考慮如何透過研究產生更大的社會影響。“他是一個非常慷慨和思想開放的人，”Wyart 評論道。目前，用於診斷眼病和其他健康問題的大多數商業 OCT 儀器的成本為 30,000 歐元（34,800 美元）或更高，這使得發展中國家的許多醫院無法使用它們。Thouvenin 希望透過使用三維列印、廉價的光學零件和智慧手機作為相機來降低價格。“我正在構建一個原型，”他補充說，這個原型的成本應該低於 1,000 歐元。— 作者：Elie Dolgin

GIORGIO VACCHIANO：森林建模師

一位生態學家將數學建模應用於森林管理。

Giorgio Vacchiano 的職業生涯始於確定氣候變化對森林的影響，但現在正在尋找利用森林減緩氣候變化的方法。

他的博士論文將義大利西南部阿爾卑斯山一種耐寒樹種的高死亡率與乾旱聯絡起來。這一發現為 2013 年發表的一篇有影響力的論文奠定了基礎，該論文提供了強有力的證據，證明了氣候變化在 20 年的時間跨度內對森林覆蓋率的影響。2017 年在《自然氣候變化》雜誌上發表的一篇合著論文回顧了 600 多項研究，並發現了大量證據表明氣候變化在火災、乾旱和病蟲害頻率和強度增加中發揮了作用。

Vacchiano 對保護的興趣促使他學習林業，但他現在相信為了多種目的管理森林。在義大利，他率先將建模用於森林管理。使用工具模擬不同條件下的動態可以估計，例如，樹木在疏伐後會以多快的速度生長，或者需要多少棵樹才能阻止岩石從斜坡上滾落。他說，這些工具為森林管理者提供了更準確和可重複的決策依據。Vacchiano 花費了 15 個月的時間與歐盟委員會合作進行森林建模，然後於 2017 年在米蘭大學獲得了目前的職位。他認為自己很幸運。“在這個國家，有很多才華橫溢的年輕研究人員找不到研究工作。”

Vacchiano 目前的研究重點是最佳化森林管理以減緩氣候變化，包括收穫木材以替代碳密集型材料，例如用於建築的混凝土和用於能源的化石燃料。— 作者：Catherine Armitage