科学界 11 位冉冉升起的新星

从削减太阳能发电成本到降低卵巢癌风险，本文介绍了 11 位处于职业生涯早期至中期的科学家，他们正在成为各自领域的领导者。

他们从 500 位科学家中脱颖而出，这些科学家是使用自然指数和学者联盟全网 (WoW) 排名实力评估的。他们为认知神经科学、地质学和凝聚态物理学等一系列学科带来了新思路。他们的主动性、好奇心和灵活性使他们在竞争激烈的研究环境中脱颖而出。

该分析包括在 2017 年在 82 种索引期刊上发表过至少一篇论文，并且第一篇科学论文发表于不到 20 年前的活跃研究人员，其中一些人甚至在过去六年才出现在学术界。

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受访科学家的论文引用次数逐年增长，并在 WoW 排名中得分异常高，WoW 排名使用类似于 Google PageRank 的算法来识别最具影响力的研究人员。它考虑了诸如科学家成果的质量、与行业的联系以及合作作者网络等因素。

DANE deQUILETTES：缺陷侦探

一位化学家正在寻找合适的材料，为那些无法获得电力的人带来廉价的太阳能电力。

材料科学家 Dane deQuilettes 希望帮助改造世界能源系统，特别是为那些无法可靠获得电力的人们。这位麻省理工学院的博士后正在利用他在有前途的钙钛矿材料特性方面的专业知识来实现这一目标。

钙钛矿在太阳能电池中的性能可以与传统的硅相媲美，并且有望制造成本更低。虽然供应全球 1.7% 电力的硅太阳能电池的成本已经下降，但它们不太可能降到足以对全球 12 亿无法获得电网电力的人产生影响的程度。

GridEdge Solar 是麻省理工学院的一个项目，由 deQuilettes 领导，旨在评估不同的轻型、柔性光伏材料，并在几年内建立一条中试生产线来制造它们。他认为钙钛矿是一种有力的竞争者，它可以制成类似墨水的溶液，并像新闻纸一样印刷在成卷的材料上。该项目由印度慈善组织塔塔信托基金资助。

deQuilettes 拥有化学背景，在华盛顿大学攻读博士学位期间开始研究钙钛矿。他被它们特殊的晶体结构所吸引，研究了钙钛矿中单个错位的原子如何降低其性能并抑制其在太阳能电池中的性能。在他的工作之前，尚不清楚为什么钙钛矿太阳能电池的质量差异如此之大。deQuilettes 揭示了答案在于晶体材料不同区域的原子排列不同。“一旦我们了解了缺陷在哪里，我们就可以制定设计策略来消除它们，并使器件的性能更加均匀，”他说。

“我对光与材料相互作用的基本物理学很感兴趣，但我总是回到‘目的是什么？’”deQuilettes 说。— 作者：Katherine Bourzac

SARAH GARFINKEL：发自内心的推理者

一位认知神经科学家揭示了身体如何驱动思维。

Sarah Garfinkel 研究了心脏跳动以及我们对其节律的意识如何影响从焦虑水平和情绪学习到睡眠质量和种族偏见等方方面面。她现在是世界上最著名的“内感受”健康后果专家之一，内感受是指对一个人内部器官活动的感知。

作为密歇根大学的博士后，Garfinkel 研究了患有创伤后应激障碍的伊拉克和阿富汗战争退伍军人的记忆力。她的研究主要集中在大脑上，但一个奇怪的观察结果让 Garfinkel 开始思考心脏可能在情绪处理中发挥的作用。为什么有些退伍军人在大脑扫描仪中重温创伤经历时，心跳保持稳定，而另一些人的心脏却疯狂跳动？

她与布莱顿和苏塞克斯医学院的神经精神病学家 Hugo Critchley 合作，揭示了人们认为自己检测自身心跳的能力与他们的真实准确性之间的脱节。Garfinkel 随后展示了这种不一致的重要性，她在 2016 年报告称，自闭症患者对自身心脏的了解越少，他们的焦虑就越大。

在另一项研究中，她和 Critchley 发现，抑郁症或焦虑症患者的内感受意识差与睡眠质量缺陷有关。“这现在为我们提供了一个干预目标，”Garfinkel 说。“我们希望训练人们更好地精确控制他们的身体信号。”

Garfinkel 现在共同领导着首批针对内感受定向疗法的临床试验之一，评估计算机训练模块是否可以帮助自闭症患者更好地了解自己的心跳，从而减轻焦虑。

Critchley 说，心理学家在一个多世纪前就已经意识到了内感受，但直到 Garfinkel 的工作，其临床重要性在很大程度上被忽视了。“她重振了整个领域，”他说。— 作者：Elie Dolgin

BINGHUI GE：电子显微镜学家

一位凝聚态物理学家深入研究材料以寻找工业应用。

Binghui Ge 因回答了理查德·费曼 1959 年的挑战而声名鹊起：“有没有办法让电子显微镜更强大？”透射电子显微镜 (TEM) 于 1931 年发明，它通过使用电子束而不是光来揭示纳米级结构特征，大大提高了传统光学显微镜的分辨率。但费曼敦促研究人员将分辨率提高一百倍。Ge 和中国科学院物理研究所的一个团队利用成像理论，开发了一种使用传统 TEM 获取小于纳米级结构信息的方法。他们首次提供了在较厚样品中出现的图像失真的解析表达式，并用它来观察单个原子。

Ge 已经转向 TEM 的应用，以以前所未有的细节揭示催化剂和热电材料的微观结构。最近，他一直在探索热电材料在多个尺度的微观结构，以期提高它们在加热、冷却和发电方面的效率。这些材料可用于将车辆发动机产生的浪费的三分之二的热量转化为电能。

Ge 希望探索冷冻电子显微镜，这是一种 TEM 方法，允许科学家在不破坏样品的情况下对三维生物分子进行成像。Ge 想知道这是否可以改善对同样容易受到光束损伤的非生物材料（如金属有机框架，广泛用于催化剂）的成像。— 作者：Catherine Armitage

GUSTAF HUGELIUS：霜冻测量员

一位自然地理学家深入冰冻土壤，以填补地图上的空白。

对于 Gustaf Hugelius 来说，地图上的空白区域是一种挑战。这位斯德哥尔摩大学的现代探险家，小时候每年夏天都在斯堪的纳维亚北部徒步旅行，他正在寻找北极和亚北极地区的泥炭地和永久冻土区，这些地区的土壤尚未经过分析。地图上的空白区域已将他带到西伯利亚、格陵兰和加拿大北部。

北极泥炭地和永久冻土占地球碳汇的 25%。全球变暖预计将融化这些冻土，向大气中释放二氧化碳和甲烷，并加速气候变化。然而，它们在碳-气候反馈循环中可能发挥的关键作用却知之甚少，部分原因是数据存在大量空白。

Hugelius 开创性地使用了高分辨率卫星图像，并使用现场样本进行校准，以表明北方土壤由于季节性冻融，其成分比气候模型中使用的相对简单的“后院”土壤类型要多变和复杂得多。反映土壤成分的多样性以及相应的温室气体释放分解过程，可以提高气候模型的准确性。

他说，野外研究“非常艰苦”。需要获得许可证；需要将人员、设备和补给品运送到世界上最偏远的地区长期停留的后勤保障；以及在冰硬的地面上钻孔取样的难度。更不用说北极熊的风险了。“你需要注意熊，既为了它们的安全，也为了我们的安全，”他说。

他说，数据共享不佳长期以来一直是土壤研究的一个问题。作为北方环极土壤碳数据库（他研究区域土壤中储存的有机碳数据集）的管理者，Hugelius 正在帮助解决这个问题，同时还与气候建模人员合作，以便他们能够更好地解释模型中的不确定性。— 作者：Catherine Armitage

JAEMIN KIM：成衣设计师

一位系统工程师开发了可粘贴式传感器来监测健康状况。

Jaemin Kim 预测，有一天，像临时纹身一样贴在皮肤上的可拉伸传感器将监测生命体征。如果一切按他的计划进行，复杂而柔软的电子设备将赋予机器人触觉。

来自韩国的系统工程师 Kim 在韩国科学技术院攻读硕士学位期间，开始对可穿戴电子产品产生兴趣。他说：“我尝试通过测量鸡皮疙瘩来测量情绪。”他了解到，感知变化的最佳方法不是使用典型的刚性电子设备，而是使用可以随皮肤移动的柔性电子设备。

在首尔国立大学攻读博士学位期间，Kim 开发了用于可拉伸设备的传感器和系统，包括一种贴纸式心脏监护仪，该监护仪使用印刷的心形显示屏来告知佩戴者她的心电图是正常（红心）还是不健康（蓝心）。

他致力于一种柔软的曲面图像传感器，有一天可能成为盲人视网膜植入物的基础。但是，他说，要使这些有前途的设备实用，还需要进行大量艰苦的工程工作。

他的出版物中介绍的柔性电子设备必须连接到笨重的外部电子设备和电源才能工作。

2017 年 11 月，他搬到加利福尼亚州，在斯坦福大学与 Zhenan Bao 一起担任博士后研究员，Zhenan Bao 是设计本质上可拉伸电子材料的领先化学家之一。在 Bao 实验室，Kim 专注于使用这些材料制造独立的医疗和触摸传感器，这些传感器不必连接到笨重的微控制器来分析它们收集的数据。

Kim 说，他很纠结是继续留在学术界还是担任工业界的职位。他希望看到这项研究转化为产品。“我想制造一些对每个人都有效的东西，”他说。— 作者：Katherine Bourzac

SILVIA MARCHESAN：微分子操控者

一位有机化学家创造了由经济高效的自组装蛋白制成的水凝胶。

抗菌肽由氨基酸链组成，是人体抵御入侵病原体的第一道防线。这些蛋白质具有手性的几何性质，这意味着它们不能像左右手套不适合右手一样，覆盖在它们的镜像上。

它们的手性也决定了它们的生物活性——制药制造商长期以来一直利用这种特性来制造具有所需特性的药物。例如，胃灼热药 Nexium 由左手分子制成。它的前身药物 Prilosec，也是由阿斯利康生产的，包括分子对的左手和右手。

这些分子通常由数百个氨基酸的长链组成。的里雅斯特大学的有机化学家 Silvia Marchesan 采用了一种更精细且经济高效的方法。她在意大利工作，使用仅三个氨基酸长的短肽，并切换单个氨基酸的手性。“这就像在左手上放一个右手指，看看我们会得到什么样的手，以及这只新手表现如何不同，”她说。

Marchesan 使用这种技术制造了三肽，这些三肽可以自组装成具有内在抗菌特性且具有生物相容性的水基凝胶。水凝胶的超分子结构允许开启和关闭功能的潜力，使其可用作酶替代物、身体组织修复中的支架以及药物的持续释放。

2013 年，Marchesan 与人合著了一篇论文，该论文描述了将自组装三肽与一种常用抗生素结合。由此产生的水凝胶在六天内持续释放药物。

一篇登上 2018 年 8 月《化学》杂志封面的论文描述了 Marchesan 调整后的三肽为何与其真实世界的类似物表现不同，以及该过程如何在从单分子到宏观水凝胶的尺度上保持一致，这对于大规模生产非常重要。Marchesan 说，下一步是将实验室工艺改进为可以廉价且可持续地扩大规模的工艺。— 作者：Catherine Armitage

MELISSA MERRITT：癌症侦探

一位海洋生物学家转变为分子流行病学家，以应对卵巢癌风险。

很难在内陆佛蒙特州研究海洋生物学。因此，作为一名本科生，Melissa Merritt 离开去澳大利亚东北部的大堡礁沿岸花费一个学期研究珊瑚的繁殖能力。然而，几年之内，Merritt 不得不放弃海洋研究，因为她晕船，转而从事癌症研究。她的祖母患有卵巢癌，Merritt 决定致力于阐明这种妇科疾病的风险因素和遗传驱动因素。

为了她的博士学位和博士后研究，Merritt 在澳大利亚、美国和英国的机构接受了癌症流行病学和分子生物学方面的培训——获得了经验和双重科学背景，这使她“非常擅长提出重要的研究问题”，伦敦帝国学院的前导师分子流行病学家 Marc Gunter 说。

例如，在 2015 年，Merritt 帮助开发了一种方法学方法，用于评估膳食因素在癌症中的风险。它现在被用于研究食物与各种肿瘤之间的联系，并且还表明咖啡摄入有助于降低女性患子宫内膜癌的风险。

在 Merritt 认为她最“重要的发现”中，她在最近的一项研究中表明，患有局部浸润性卵巢癌的女性如果在诊断后服用阿司匹林或布洛芬等非甾体抗炎药，则死于该疾病的风险降低约 30%。

现在，作为火奴鲁鲁夏威夷大学癌症中心的教员，Merritt 已获得资金来探索许多产品中发现的改变激素的化学物质是否会影响女性患子宫内膜癌的几率——这是一个将利用 Merritt 在基础实验室科学和流行病学数据分析方面的技能的项目。— 作者：Elie Dolgin

TAYLOR SCHILDGEN：气候摇滚者

一位地质学家研究了气候变化如何侵蚀山脉和河床。

按照地质标准，Taylor Schildgen 研究的时间尺度很短。她试图确定气候如何在数千年内改变地球表面。她的工作使用一种新技术，通过测量稀有同位素（称为宇宙成因核素）的存在来确定地貌的年代。岩石样本中这些同位素的比例使地质学家能够估计它们的年龄和数千年来的变化率。

2017 年，德国地球科学研究中心 GFZ 和波茨坦大学的地质学家 Schildgen 与博士后 Stefanie Tofelde 发表了一篇论文，考虑了全球气候变化对阿根廷安第斯山脉河流阶地的影响。研究人员检查了 10 万年的冰期和间冰期循环。他们发现，在较冷和较湿的时期，增加的水流和沉积物在山谷中切出了深槽。盆地在较干燥、温暖的时期重新充满沉积物。靠近山脉的附近河道也做出了类似的反应，但周期为 21,000 年。

Schildgen 说，这些研究可以为景观的哪些部分会对我们正在经历的突然气候变化敏感提供线索。她说，结果“对洪水灾害和水资源管理等事物具有重大意义”。

有时，Schildgen 的工作会让她回到更久远的过去。2018 年 7 月，她在《自然》杂志上与人合著了一篇论文，驳斥了关于全球气候与侵蚀之间联系的假设。她确定没有足够的证据表明数百万年前冰期-间冰期循环的开始加速了高山地区的侵蚀。

Schildgen 将她对岩石的迷恋追溯到十几岁时去黄石国家公园度假。2008 年在麻省理工学院完成地质学博士学位后，由于美国学术职位短缺，她在德国获得了博士后职位。“离开美国让我感到内疚，因为我在那里接受了如此良好的培训，”她说。“但我的实际情况是，我在德国得到了极好的支持。”— 作者：Smriti Mallapaty

SAHAR SHARIFZADEH：材料大师

一位计算物理学家深入研究有机材料的复杂结构。

由于其丰富性和低成本，有机分子是柔性纳米电子器件的极佳构建模块。但是，要获得取代硅等无机半导体所需的特性，就需要深入了解分子在纳米尺度上的相互作用。

Sahar Sharifzadeh 采用计算建模来寻找描述这些分子相互作用的直观方法，这可以促进有机材料的开发，其电导率可以精确控制——这是半导体的特性。

Sharifzadeh 使用这种理论方法表明，有机晶体材料中分子的排列方式强烈影响其对光的电子响应——这一见解可以提高有机太阳能电池的效率和寿命。她的计算分析也已应用于理解有前途的无机材料的结构。

2017 年，她模拟了硼的自由站立的单原子厚片，称为硼烯。研究人员最近才在银上生长出这种二维材料，但尚未能够以其自由站立的形式分离出来。像其近亲石墨烯一样，硼烯有望具有出色的性能，包括强度、柔韧性和导电性。Sharifzadeh 的计算预测，硼烯的光学和电子特性可以通过拉伸或压缩材料来精确调整。

Sharifzadeh 的家人在她八岁时从伊朗搬到美国，她最初在加州大学伯克利分校学习电气工程和计算机科学，但她在该学位课程中学习的物理课程引起了她的想象力。她在普林斯顿大学攻读凝聚态物理学博士学位，并在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室进行了为期两年的纳米尺度材料博士后项目。她于 2014 年在波士顿大学建立了她的实验室。

她不仅在建模分子的行为，还在建模高成就科学家的行为，她也是一个一岁孩子的母亲。她意识到许多年轻女性担心这两种角色是不相容的，她很高兴被看到同时扮演这两种角色。— 作者：Catherine Armitage

OLIVIER THOUVENIN：运动追踪器

一位生物物理学家开发了显微镜，用于观察活体组织样本。

作为巴黎私人基金会大脑与脊髓研究所 (ICM) 的暑期实习生，Olivier Thouvenin 帮助开发了一种成像技术，用于监测斑马鱼幼虫的神经回路。但是，该方法缺乏空间分辨率，无法在单细胞水平上区分神经元之间的连接，这让这位年轻的生物物理学硕士生感到沮丧。

因此，为了他在朗之万研究所（距离巴黎著名的植物园边缘两公里）攻读博士学位，Thouvenin 致力于改进现有的高分辨率组织成像工具，称为全场光学相干断层扫描 (OCT)。他在原本静态的图像采集器中添加了动态时间元素，Thouvenin 说，有了这个，“我们可以看到样品内部移动的东西”。Thouvenin 使用他升级后的 OCT 技术来跟踪小鼠和猴子活体视网膜组织内部亚细胞器和其他结构的运动和新陈代谢。

去年，他带着他设计的显微镜回到了同一个 ICM 实验室担任博士后。他与神经科学家 Claire Wyart 合作，在尚未发表的研究中表明，斑马鱼幼虫的脑脊液像人类一样在脊柱中双向流动。流动紊乱可能导致脊柱弯曲缺陷，无论是鱼类还是人类。

Thouvenin 即将回到朗之万研究所建立自己的实验室，他还在考虑如何通过研究产生更大的社会影响。“他是一个非常慷慨和思想开放的人，”Wyart 评论道。目前，用于诊断眼病和其他健康问题的大多数商业 OCT 仪器的成本为 30,000 欧元（34,800 美元）或更高，这使得发展中国家的许多医院无法使用它们。Thouvenin 希望通过使用三维打印、廉价的光学零件和智能手机作为相机来降低价格。“我正在构建一个原型，”他补充说，这个原型的成本应该低于 1,000 欧元。— 作者：Elie Dolgin

GIORGIO VACCHIANO：森林建模师

一位生态学家将数学建模应用于森林管理。

Giorgio Vacchiano 的职业生涯始于确定气候变化对森林的影响，但现在正在寻找利用森林减缓气候变化的方法。

他的博士论文将意大利西南部阿尔卑斯山一种耐寒树种的高死亡率与干旱联系起来。这一发现为 2013 年发表的一篇有影响力的论文奠定了基础，该论文提供了强有力的证据，证明了气候变化在 20 年的时间跨度内对森林覆盖率的影响。2017 年在《自然气候变化》杂志上发表的一篇合著论文回顾了 600 多项研究，并发现了大量证据表明气候变化在火灾、干旱和病虫害频率和强度增加中发挥了作用。

Vacchiano 对保护的兴趣促使他学习林业，但他现在相信为了多种目的管理森林。在意大利，他率先将建模用于森林管理。使用工具模拟不同条件下的动态可以估计，例如，树木在疏伐后会以多快的速度生长，或者需要多少棵树才能阻止岩石从斜坡上滚落。他说，这些工具为森林管理者提供了更准确和可重复的决策依据。Vacchiano 花费了 15 个月的时间与欧盟委员会合作进行森林建模，然后于 2017 年在米兰大学获得了目前的职位。他认为自己很幸运。“在这个国家，有很多才华横溢的年轻研究人员找不到研究工作。”

Vacchiano 目前的研究重点是优化森林管理以减缓气候变化，包括收获木材以替代碳密集型材料，例如用于建筑的混凝土和用于能源的化石燃料。— 作者：Catherine Armitage