一个村子命名了四种化学元素,这是什么神仙地方?

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你听说过伊特比(Ytterby)吗?这是一个位于瑞典的小村子,它看起来平平无奇,大概会是那种除了当地人很少有人知道的地方。但是,这里其实是一个化学界的圣地:有七种元素的发现都源于这里,其中直接用伊特比命名的化学元素就有多达四种。

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(伊特比矿的元素发现纪念牌。图片来源:Uwezi,Wikimedia Commons)

发现元素的故事要从当地的伊特比矿场讲起,这本来是当地人开采长石的地方,长石虽然不是什么稀有的矿物,但它可以制作瓷器,市场需求还是很多的。1787年,化学家Carl Axel Arrhenius在这个矿场发现了一种奇怪的、沉重的黑色矿石,他把这些石头命名为“ytterbite”(注:后来名字改成了Gadolinite,即硅铍钇矿),并将样本送到了他的朋友化学家Johan Gadolin那里。Johan Gadolin从这些矿石中首先得到了一种新金属元素的氧化物——氧化钇(Y2O3)。这是人们所知道的第一种稀土化合物,钇的命名就来源于伊特比,它被叫作Yttrium。

在此之后,研究者们又陆续从伊特比的矿石中分离出了更多新的稀土元素。其中有四种元素的名字都是直接取自伊特比:钇(Yttrium)、镱(Ytterbium)、铽(Terbium)和铒(Erbium)。(命名方式大概就是从Ytterby里截取了不同的片段吧,感觉是够懒的……)

新的元素还在发现,还继续用Ytterby的几个字母实在不太合适,于是化学家们终于放弃了这种命名方式……其他通过当地矿石发现的元素分别获得了这样的名字:钬(Holmium),来自斯德哥尔摩的拉丁名字Holmia;铥(Thulium),来自Thule,斯堪的纳维亚地区的一个古希腊名;钪(Scandium),来自斯堪的纳维亚(Scandinavia)。

这些元素的发现十分重要,它们不仅完善了元素周期表,而且各种稀土元素在后来都发现了相当重要的用途。例如著名的“高温超导体”(注:高温是相对的,意思是有液氮冷却就够了)钇钡铜氧,其中就含有在伊特比发现的钇元素。

一个小村子为什么能带来这么多新元素发现?这其中自然有一些巧合,但也与稀土元素的特性有关。稀土金属元素在自然界常常结伴出现,而且它们彼此之间分离比较困难,所以从同一个地方的矿石里就可以持续地分离发现新的元素。

如今,伊特比矿场早已废弃,不过在当地还是留下了一些元素发现的纪念。比如美国材料信息学会(ASM International society)设立的纪念铭牌,以及用元素命名的道路。如果有机会的话,也可以去那里看看(虽然可能也并没有什么可看的_(:з)∠)_)。

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(当地的“铽路”(Terbiumvägen),这条路就在伊特比矿场附近。图片来源:Uwezi,Wikimedia Commons)

本文参考:

http://www.slate.com/articles/health_and_science/elements/features/2010/blogging_the_periodic_table/ytterby_the_tiny_swedish_island_that_gave_the_periodic_table_four_different_elements.html

https://balticeye.org/en/eutrophication/elemental/Ytterby-1/

https://eic.rsc.org/feature/the-most-important-village-in-chemistry/3009670.article

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动图欣赏:蒲公英如何漂在空中?

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在孩子眼中,蒲公英种子大概是自然界绝妙的玩具。轻轻吹一下,就可以看着这些毛茸茸的“小降落伞”在风中飘远。

这些种子很擅长乘风传播,它们经常能飞到一千米以外甚至更远的地方。这是怎么做到的?最近发表在《自然》的一项研究向世人展示了其中的一些细节。

研究者们用显微镜和CT仔细检查了蒲公英种子的冠毛结构,然后把它送进风洞模拟种子下落的过程。激光照亮了空气中悬浮的小颗粒,用这种方法就可以记录下蒲公英周围的空气流向。结果研究者发现了一个特别的结构:在悬浮的蒲公英种子上方,出现了一个稳定的涡环。

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下面是一张照片,看得更清楚一些:

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涡环在生活中并不少见(烟圈就是一种涡环),不过这种稳定保持在物体上方同时又不与之接触的涡环比较特别,研究者将其称为“separated vortex ring”。这个涡环在蒲公英种子的上方制造出了低压区域,增加了种子下落的阻力,让它能在空中悬浮更长时间,这样就有更多机会被水平方向的风吹到远处。

每个蒲公英种子都长有大约100根小绒毛,每一根大约有7.4毫米长、16.3微米宽。小绒毛的疏密程度对于涡环的形成和稳定非常重要,研究者们用小硅片制作了不同孔隙率的模拟种子,结果发现只有孔隙率接近天然蒲公英(约92%)的时候才能维持涡环的稳定。

了解了蒲公英种子的飞行,或许也可以用同样的方法设计出在空中长时间悬浮的小型飞行器。

图片来自pixabay

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原论文:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0604-2

一些相关报道:

https://www.nature.com/articles/d41586-018-07084-8

http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2018/10/18/dandelion-seeds-fly/#.W8lEvmgzbIV

https://www.sciencenews.org/article/dandelion-seeds-create-bizarre-whirlpool-air-fly

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“天眼”年薪10万招不到人,过低“人头费”支撑不起“国之重器”

“人头费”过低致“国之重器”难吸引优秀人才

根据科技媒体报道,被誉为“国之重器”的贵州天眼FAST望远镜,明年上半年将正式开启24小时观测,为此,FAST面向全国启动了新一轮的人才招聘。但结果并不理想。

招聘启事显示,FAST此次共招聘24人,涉及数据处理、数据中心运营和通信维护等岗位,要求科研人才能够长期在FAST现场工作、英文水平良好,有部分岗位还要求能够胜任夜班工作。这样艰苦的岗位,在数年之后可以给编制,年薪(加上加班补贴)约10万元。按新的个税计算,10万年薪意味着,每月税前七千出头,税后到手五千多一些。对于这样的“科学家”待遇,很多朋友大摇其头。

国之重器“天眼”FAST望远镜(五百米口径球面射电望远镜)上一次感动全中国,是在2017年9月基础设施完成之际,也是首席科学家、国家天文台研究员南仁东先生去世的时候。

图片来自flickr | internetadn

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二十多年,南仁东先生以前瞻性的眼光,不求名利,默默地踏遍了贵州的大小山峦,承担从勘探选址,到基础建设、科学目标等一整套的艰苦工作,筚路蓝缕,带领团队完成了电子、机械等领域一系列突破,建成了 “中国天眼”。为此,中宣部追授南仁东“时代楷模”荣誉称号,在全国科技系统开展了向南仁东先生学习的系列报告会。

“天眼”FAST,是一个涉及天文学、力学、机械、电子学等诸多领域,“世界独一无二的大科学工程”的大科学工程,它的性能也超越了国外同类天文仪器。在过去两年的调试期间,数项指标的表现都超过预期。截至目前已发现了53颗脉冲星、60颗优质候选体。国内外天文学家们都对FAST表示了兴趣和合作意向,将来其可能成为国际合作的重要科学设施,也可能是未来天文科学成果成规模出现的地方。

不过,目前,南仁东先生呕心沥血建成的这个“国之重器”显然遭遇了一个众所周知的尴尬——“人头费”预算太低,难以吸引优秀人才。

从招聘要求来看,要维护“天眼”这样的高端科学设备,需要懂英语、数据、代码的科技人才,在当今的人才市场上,这些要求其实很高。在一二线城市,即便是普通本科毕业生,也可以轻松找到十几万的工作,让家人孩子过上比较满意的生活。“天眼”维护人员需要蹲守深山,还不能玩手机,只有台式机可以用,而且半个月才能出来回家一次。对于时下需要结婚、买房、生孩子的年轻人,仅仅十万年薪,又何谈有动力去告别家人,到贵州深山里蹲守呢?

其实,天文学界的另一个“国之重器”,凝聚中国科学界智慧的郭守敬望远镜(中国大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,LAMOST)早就遭遇了同样的尴尬。首席科学家、中科院院士崔向群在2016年4月接受《人民日报》采访时就说,“建成后至今,国家每年都会给一笔运行费,但是却没有相应的人员经费,我们只好借钱来发薪。”

科研人员也是人,需被“市场”公平对待

在科学界,国家和上级单位下发的科研项目经费,其使用范围受到严格限制,比如备件更新、消耗品、水电费等,用于人员的只能是出差、开会,不能发工资,甚至不能用于大科学装置所在地的工作出差。人力资源成本开支(即“人头费”)一般不超过5%,最多不超过15%,且只能用来支付临时工劳务费,正式的科研人员不能领取。

崔向群院士直言,“科研工作的本质是高强度、高水平的人类脑力活动。即便再重大、再先进的科研装置,缺少了具体人员的设置、操作、维护乃至后续的数据采集和分析,就只是一具没有灵魂的‘躯壳’。”

我们在感慨“为什么日本18年拿了18个诺贝尔奖”,为什么中国本土没有领先科学家,缺少重大科学突破的时候,也许正是低廉的劳动力价格,让科学劳力们疲于为基本生活需求而奔波,从而没有时间和精力投入需要消耗心智、长期钻研的重大科学课题。诺贝尔奖所青睐的,往往是基础科学的重大科学突破。这样的成果是没有办法通过完美的计划来实现的,因为没有人会知道它们会在什么地方、什么时候出现。基础科学,最初看起来好像没有什么现实经济利益,但它出现之后,也许某一天就会改变这个世界。

当日本诺贝尔奖获得者中村修二在公司地下室研究蓝光时,当华人科学家高锟先生研究光纤时,它们看起来都是困难重重、遥遥无期,甚至还可能没什么实用价值,但他们所在的公司、学校都给予了坚定而长期的支持。李克强总理在2016年4月视察北大的时候,谈到发达国家在这方面的经验——“人头费”占比高达80%-90%,一时成为被刷屏的话题。

不知从什么时候开始,在我们的宣传中,科学家成为了不计名利、无私奉献的“清贫”形象。可我们不能忘记了,科学家也是普通人,科研人员也需要被“市场”公平对待。

天眼FAST所需要的人才,国家电网、中石油、中石化、BAT们也同样需要。当“国之重器”和国企私企进行人才竞争的时候,科学界能不能切实进行经费管理改革,拿出有竞争力的薪酬,这可能会涉及未来科研队伍的问题,也涉及未来我们国家科技实力在国际上会否有竞争力。

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【花日历】趁夜而开,乘槎而去

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玉蕊Barringtonia racemosa,玉蕊科科长,得名于花蕊的形态颜色和质感。这个科的物种数不多(200来种),分布却遍及整个太平洋和印度洋的热带亚热带地区,西至马达加斯加,东及南美洲西海岸。

当你在上述旅行的时候,也许会注意到一个现象:很多相隔数千公里的海岛或大陆,海滨植物的物种看起来都差不多。从地质历史上来说,这些地方要么是板块分离已经很久,要么是非常年轻的火山岛,植物都不可能从陆地的途径彼此迁移。那么形成这样的分布格局的动力是什么呢?是洋流。太平洋上的洋流方向大致如上图(渣手绘没细节大家包涵……),北半球顺时针、南半球逆时针各有一个环流,赤道上还有一个自西向东的洋流。这些大洋里的河流如同他们在陆地上的亲戚一样,不舍昼夜地搬运着各种物质,其中当然也包括植物的果实和种子。这些能漂洋过海的果实和种子都具有耐海水侵蚀的果皮/种皮,以及浮力结构(比如疏松的内果皮或子叶间的空腔),其中最为大家熟知的应该是椰子,它是很多新生岛屿的先锋物种。玉蕊科,尤其是玉蕊属Barringtonia的果实也有同样的结构,于是借着洋流的运送分布到如此广大的地区。上图中,台湾岛东部海上有一条自南向北的暖流,名为黑潮。台湾植物区系中来自大洋洲和南太平洋的成分,很多是由这条洋流带来。

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玉蕊夜间开花,用香味招引蛾子传粉,是典型的蛾媒花(Phalaenophilous flower)。初次尝试夜拍,发现无敌三的高感真是非常给力!其间也发生了看到传粉者过于鸡冻而导致相机拿倒这样的乌龙事件……总之大家当活动脖子就好= =~

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玉蕊的花只开一晚上,太阳升起花冠即脱落(此处有夸张),然而落瓣亦有可观之处(虽然下图被很多人称为玉米皮和意面……)

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玉蕊这个词来源于唐朝的一些传说,比如玄宗之女唐昌公主在长安兴业坊手植的一株玉蕊花。唐朝诗人如元稹、刘禹锡等人也有咏玉蕊诗传世。由于唐时玉蕊栽培失传,后人对玉蕊究竟是啥多有争议,对象包括八仙花、琼花、山矾、栀子甚至西番莲。日人松村任三著《植物名汇》,引日本文献《质问本草》中的“玉蕊”,作为Barringtonia racemosa的名称,并以其作科、属名,这是今天中文植物学文献中“玉蕊”一名的来历。但Barrintonia无论形态还是分布范围栽培文化都与中国传统所谓玉蕊不相干,只是花蕊形态很容易顾名思义。故植物学泰斗吴征镒先生(我每次都要打成无争议是闹哪样……)考证说玉蕊应该是山矾科的白檀Symplocos paniculata,并在《云南植物志》中将Barringtonia改称金刀木属;另外该属在台湾叫棋盘脚属。我们循当代植物学界习惯,用玉蕊一词指代Barringtonia racemosa。以此例说明植物分类学实际上是文献考据之学,做的是名实对应的事,花的是皓首穷经的功夫。

为什么说“象牙贸易合法化不能打压走私盗猎”?

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今天,我想请你认真听我讲一个关于象牙的故事。

过去三十年里,管理濒危生物国际贸易的华盛顿公约只批准过两次象牙贸易。第一次卖给日本,第二次卖给日本和中国。

象牙贸易合法化,能够拯救大象吗?

当时,人们对象牙合法化的前景寄予厚望。上世纪七八十年代非洲象曾经遭受大规模猎杀,但1989年华盛顿公约(CITES)全面禁止了象牙贸易,此后十几年里野生非洲象至少在数量上稳定了下来,几个国家还有增长。最严重的危机已经度过,可以展开一些实验了。

实验内容,自然是通过合法象牙来打压走私市场。这个做法看起来好处多多:

其一,合法象牙的到来意味着供给增加,假如需求不产生相应变化,那就会打压象牙价格,从而打击盗猎者的利润。

其二,非洲几国历年来积累了相当多的合法象牙库存,有些来自大象自然死亡,有些来自海关收缴的走私货物,如果不找渠道出售,那要么一直放着要么销毁。

其三,出售这些象牙不但可以募集到很多资金支援保护事业,还可以给当地居民提供保护大象的物质激励。

所有这些,在理论上都合情合理。

1997年,CITES曾允许日本从南部非洲三个国家一次性进口50吨象牙,并在那之后逐步建立了走私监控网络收集数据。2008年,CITES第二次开了绿灯,正式批准大象状况良好的纳米比亚、博茨瓦纳、南非和津巴布韦四国将108吨政府拥有的象牙出售给中国和日本,所有销售所得都用于大象保护和支援当地居民。为了管理这批象牙,中方采用了一物一证制度,即每一个合法象牙制品都需伴随一份许可证。

从此,非洲迎来了一波新的盗猎浪潮。

合法之后,象牙盗猎逐年攀升

2012年,国家地理刊发了名为《血象牙》的封面专题报道。调查人员发现,自08年合法象牙贸易以来,非洲盗猎走私逐年攀升,其中70%流向中国。2011年是自象牙禁贸以来的走私历史最高点,超过150个中国人因走私象牙被逮捕。而中国国内象牙原料的价格不但没有因为合法象牙和猖獗走私降低,反而比2008年之前增加了3倍以上。

国内超过半数的经销店根本就不提供收藏许可证,大量店面以费时费钱等理由积极劝说消费者购买时不要收藏证;而一物一证制度根本没能得到认真执行,象牙证件买卖本身已经形成了一个小黑市,很多证件只是为一连串同一形制的非法工艺品提供掩护而已。

国家地理杂志在2012年刊发专题报道《血象牙》

国家地理杂志在2012年刊发专题报道《血象牙》

这一年,刚果加兰巴国家公园的警卫发现乌干达军方出动了直升机入侵公园领地,一次射杀了22头大象并卷走了价值超过一百万美元的象牙。

当时CITES认为,不能确认象牙走私的猖獗与合法象牙贸易有关,可能只是中国经济发展和在非洲投资的结果。

但2016年,加州大学伯克利分校的经济学家项中君(Solomon Hsiang)与普林斯顿大学的生态学家瑟卡尔(Nitin Sekar)发表了一篇论文,认为经济发展不能解释这一现象。他们在论文中指出,盗猎状况从2008年开始出现了无可置疑的转折点,非洲南部几国的大象盗猎增加了66%,黑市走私增加了71%,这个趋势不但无法用大象自然死亡来解释,也不能用任何经济变量解释,无论是中日两国的人均GDP、两国和大象分布国的贸易状况、中国在大象分布国的投资和雇员,都不行。

因此,他们的结论是,合法象牙销售“增加了消费者需求,降低了为黑市供应象牙的成本,从而促进了黑市象牙生产。”

与此同时,世界自然保护联盟公布了新的大象普查数据:非洲象总数截至2015年约为41.5万头,比2006年减少9.3万头(普查还发现了此前未知的18000头大象,所以真实的减少值可能接近11.1万头)。特别是,不在合法象牙出口国之列的东非地区遭受了最大冲击,大象数量减少了近50%。

当然,这只是验证了其他研究者长期以来的猜想:

象牙许可证的执行难度本来就很高,也很容易受到贪污腐败的侵蚀。

合法象牙的存在会让消费者认为象牙是合适的奢侈品,从而增加购买欲望;如果奢侈品市场掀起了宣传热潮,足以淹没任何合法供应。

合法与非法混杂会给执法部门带来巨大的障碍,而很多非洲国家已经没有余力大幅增加对抗走私的投入,更不要说反走私国际合作是如何艰难。

实验就此停止

残酷的现实,压倒了人们用合法象牙挽救大象的希望。

这个希望还不能说完全破灭,但短期内不太可能有新的合法象牙实验了。2010年赞比亚和坦桑尼亚试图效仿2008年的先例,但是激起了远比当时更大的争议,最后赞比亚主动撤消了请求,而坦桑尼亚的提案也没有得到足够的赞同票。这以后,陆续有些国家发起了象牙合法贸易提案,也再没有获得通过。截至2017年,各国政府已经销毁了近300吨象牙库存。

肯尼亚内罗毕公园中等待被焚烧的105吨象牙。图片:cites.org

肯尼亚内罗毕公园中等待被焚烧的105吨象牙。图片:cites.org

有些经济学家的态度也发生了微妙的变化,项中君说在这项研究之前他曾是合法化的强烈支持者,现在正在重新思考。毕竟这个问题并非一个单纯的经济学问题——瑟卡尔指出合法化路线在鳄鱼保育里起到了良好效果,但大象和鳄鱼有不同的生物学特征,不可能生产足够的象牙彻底淹没黑市。

至少有一点值得安慰的是,此刻的非洲象整体还没有那么危急,很多国家的种群数量还在提升。盗猎虽然可能伤害局部种群、毁灭大象的家庭和社会结构,短期内还不至于导致物种或亚种级的灭绝。

然而,如果在老虎和犀牛上进行这种实验,比如重新允许使用虎骨和犀角制作中药……

那可就是另一回事儿了。

洞穴那么窄,蚂蚁如何防止“堵车”?

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在需要建筑新巢时,蚂蚁们会开始忙碌的挖掘工作:叼起沙土颗粒,把它们一点点运送到地面,从而在土壤中造出通道。

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在向下挖掘时,蚂蚁们制造的通道通常比较狭窄。狭窄的通道能更好地支撑身体,避免在垂直攀爬时打滑,而且用比较少的体力就可以挖得更深。但是,在狭窄的通道里来回往返,这岂不是很容易发生堵塞?当一只工蚁走进洞穴,发现迎面而来的工友挡住了去路,它会怎么办?

今年8月发表在《科学》上的一项研究表示,很多时候这个问题的答案是:当场放弃。

研究者们把火蚁个体用不同的颜色标记,放进透明的容器中,观察它们如何挖洞。结果显示,相当一部分工蚁工作不怎么积极:它们可能压根就不怎么工作,或者在通道里遇到迎面而来的同伴时就立即放弃工作,直接原路退回去给对方让路。

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(具体说来就是图中这样。当向下走的蚂蚁y遇到了下方叼起土壤颗粒往回走的工友z时,y很多时候都会选择直接后退。当然,y这一趟就不会对推进挖掘有任何贡献了。示意图来自原论文)

这种应对方式造成了工作分配的不平均,用研究者的话说,大概30%的蚂蚁干了70%的活儿。但适度的“懒散”和“退缩”对缓解拥堵确实有效,在缺乏指挥的前提下就保持了通道内的通畅。当然,那些干活少的蚂蚁其实并不是真的懒,如果研究者把搬砖最多的几个个体挪走,剩下的蚂蚁就会变活跃,让工程继续推进下去。

总之蚂蚁告诉我们,在空间有限的时候,适当放弃其实效率更高。如果要控制一大群小机器从事挖掘之类的工作,应该也能用到同样的策略。

(不知道这一点能不能应用到分手厨房上……)

原论文:http://science.sciencemag.org/content/361/6403/672

相关报道:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-08/giot-mww080918.php

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