2017年中國科學十大進展在京發布

發布時間:2018年02月27日 + -

“中國科學十大進展”遴選活動由科技部高技術研究發展中心舉辦,截至2018年已舉辦13屆。研究進展由《中國基礎科學》《科技導報》《中國科學院院刊》《中國科學基金》和《科學通報》五家編輯部推薦,由兩院院士、973計劃顧問組和咨詢組專家、973計劃項目首席科學家、國家重點實驗室主任等專家學者經過初選和終選兩輪投票選出。該項活動旨在加強對我國重大基礎研究進展的宣傳,激勵廣大科技工作者的科學熱情和奉獻精神,促進公衆更加理解、關心和支持科學,在全社會營造良好的科學氛圍。該項活動已成爲我國基礎研究傳播工作的一個品牌,在科技界産生了良好反響。
1、實現星地千公裏級量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態
“墨子號”衛星實現千公裏級量子糾纏分發
“墨子號”量子科學實驗衛星由我國完全自主研制的世界上第一顆空間量子科學實驗衛星,于2016年8月16日發射升空,2017年1月18日完成在軌測試,正式交付開展科學實驗。
中國科學技術大學潘建偉和彭承志研究組聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組等,創新性地突破了包括天地雙向高精度光跟瞄、空間高亮度量子糾纏源、抗強度漲落誘騙態量子光源以及空間長壽命低噪聲單光子探測等多項國際領先的關鍵技術,利用“墨子號”在國際上率先實現了千公裏級星地雙向量子糾纏分發,並在此基礎上實現空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗;實現了千公裏級星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態,密鑰分發速率比地面同距離光纖量子通信水平提高了20個數量級,爲構建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網絡提供了可靠的技術支撐,爲我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。
相关研究进展分别发表在2017年6月16日《科学》[Science, 356(6343):1140—1144]和2017年9月7日《自然》[Nature,549(7670):43—47]和[Nature, 549(7670):70—73]
研究成果一经发表,随即引起了国际学术界和新闻媒体的广泛关注,同时也得到了国际学术界的高度评价,入选了Nature杂志点评的和美国著名科学媒体Science News评选的“2017年度重大科学事件”。
“墨子號”首席科學家潘建偉教授也入選了Nature雜志評選的“2017年度改變世界的十大科學人物”,被稱之爲“讓量子通信馳騁于天地之間的物理學家”。
2、將病毒直接轉化爲活疫苗及治療性藥物
流感、艾滋病和埃博拉出血熱等烈性傳染病時刻危害著人類的健康和社會穩定,其幕後“黑手”是結構和功能多樣且快速變異的病毒,而疫苗是預防病毒感染的有效手段。
北京大學藥學院周德敏、張禮和研究組以流感病毒爲模型,在保留病毒完整結構和感染力的情況下,僅突變病毒基因的一個三聯遺傳密碼爲終止密碼,流感病毒就由致病性傳染源變爲預防性疫苗,再突變多個三聯碼爲終止密碼,病毒就變爲治療性藥物。
此類疫苗的特點是保留了野生型病毒的全部抗原、感染活力和相同的感染途徑,可以誘發人體産生強而廣的體液免疫、鼻腔黏膜免疫以及T-細胞活化免疫應答,但感染人體後複制能力缺失。這種複制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到驗證,達到廣譜、持久和高效的效果。該方法顛覆了傳統滅活/減毒疫苗的理念,前者需改變病毒抗原結構去除其毒性,只能部分激發人體免疫力,所以需要多次接種。後者需要複雜的工藝處理方能保留病毒的完整結構,但仍具有弱的複制能力和潛在的致病性,安全隱患大。該方法將是研發活病毒疫苗的一種通用方法,並可針對幾乎所有病毒。
相关研究进展发表在2016年12月2日《科学》[Science, 354(6316):1170—1173]
該研究進展是我國長期支持基礎研究、並鼓勵基礎研究進行臨床轉化的典型範例。Science評述該進展爲病毒疫苗領域的革命性突破,Nature稱其爲“馴服病毒的新方法”。
3、首次探測到雙粲重子
由兩個粲誇克和一個上誇克組成的雙粲重子
欧洲核子研究中心于2017年7月6日宣布, 来自大型强子对撞机(LHC)上底夸克探测器(LHCb)国际合作组的科学家们发现了一种被称为双粲重子的新粒子,该粒子带有两个单位电荷,质量约3621兆电子伏特,几乎是质子质量的4倍。与质子和中子类似,新发现的双粲重子由三个夸克组成,但其夸克组分不同:质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由两个下夸克和一个上夸克组成,而双粲重子则由两个较重的粲夸克和一个上夸克组成。理论预期双粲重子的内部结构迥异于之前发现的粒子,对其性质的研究将有助于人类深入理解物质的构成和强相互作用力的本质。
相关研究进展发表在2017年9月11日《物理评论快报》[Physical Review Letters, 119, 112001]
底誇克探測器國際合作組由來自16個國家的超過1000名科學家組成,清華大學、華中師範大學、中國科學院大學和武漢大學是合作組的成員單位。由清華大學高原甯領導的中國研究團隊通過與國內理論家密切合作,主導了此次雙粲重子發現的物理分析工作,對該粒子的發現做出了關鍵性貢獻。
歐洲核子研究中心對雙粲重子的發現作了專門的新聞發布,受到全球媒體的競相報道。審稿人評價:“該論文給出了期待已久的重要結果——首次觀測到雙粲重子。”美國《物理》雜志同時以“倍加迷人的粒子”爲題進行了專論報道,認爲該發現“爲科研人員提供了檢驗量子色動力學的獨特體系”。
4、實驗發現三重簡並費米子
三重簡並費米子(右)與四重簡並狄拉克費米子(左)和兩重簡並外爾費米子(中)
組成宇宙的基本粒子可分爲玻色子和費米子。現有的理論認爲宇宙中只可能存在三種類型的費米子,即狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子,其中狄拉克費米子具有四重簡並,外爾費米子和馬約拉納費米子具有兩重簡並,而三重簡並的費米子在宇宙中是不存在的。這三種類型的費米子也能夠以准粒子的形式存在于固體材料中,其中狄拉克費米子和外爾費米子的存在已在實驗上得到確證,馬約拉納費米子也得到一些實驗的支持。這些固體材料被通俗地稱爲“固體宇宙”,與真實的宇宙相對應。
與時空連續的宇宙空間不同,“固體宇宙”只滿足不連續的分立空間對稱性,這就可能出現真實宇宙中不存在的新型費米子。在“固體宇宙”中尋找新型費米子是近年來凝聚態物理領域一個挑戰性的前沿科學問題,也是該領域國際競爭的焦點之一。
中國科學院物理研究所丁洪、錢天和石友國研究組與合作者,在上海光源“夢之線”和瑞士光源上利用角分辨光電子能譜實驗技術,在磷化钼晶體中觀測到一類具有三重簡並的費米子。這是首次實驗發現超出傳統的狄拉克/外爾/馬約拉納類型的費米子。他們的實驗發現開辟了探索凝聚態體系中非傳統費米子的途徑,對促進人們認識量子物態、發現新奇物理現象、開發新型電子器件具有重要的意義。
相关研究进展发表在2017年6月29日《自然》[Nature, 546(7660):627—631]
5、實現氫氣的低溫制備和存儲
基于Pt/α-MoC催化劑實現水和甲醇低溫液相重整反應産氫
氫能被譽爲下一代二次清潔能源,但氫氣的高效制備以及安全存儲和運輸一直以來是阻礙氫能源大規模應用的瓶頸。由于甲醇可以安全運輸,將氫氣存儲于液體甲醇中,通過水和甲醇低溫液相重整反應原位産氫,在釋放出甲醇中存儲的氫氣的同時也活化等摩爾的水而釋放出額外的氫氣,就成爲氫能利用的可行途徑。這種過程裝置簡單、耗能低,容易和車載或固定聚合物電解質膜燃料電池整合,而釋放出的氫氣占重比可達18.8%。
北京大学化学与分子工程学院马丁研究组与中国科学院山西煤化研究所温晓东以及大连理工大学石川等合作的研究表明,将铂单原子分散在面心立方结构的碳化钼(α-MoC)上制备的催化剂可用于甲醇的液相重整,在较低温度下(150—190摄氏度)能够表现出很高的产氢活性,可达每摩尔铂每小时产氢18,046 摩尔。
这种优越的制氢能力远大于以前报道的低温甲醇重整催化剂(高出近两个数量级),其关键在于α-MoC突出的解离水的能力以及铂和α-MoC协同活化并重整甲醇的能力。同时,该研究团队在在水煤气变换产氢过程(CO+H2O=CO2+H2)中也突破了低温条件下高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题, 发展了基于Au/α-MoC的新一代催化过程。
相关研究进展分别发表在2017年4月6日《自然》[Nature,544(7648):80—83]和2017年7月28日《科学》[Science, 357(6349):389—393]
上述研究进展被多家科学媒体报道并高度评价,美国化学会C&E News杂志和英国皇家化学会Chemistry World杂志分别以“氢能源:制备氢燃料新过程”和“新型催化剂点亮氢能汽车未来”为题进行了亮点报道,认为“随着此高活性催化体系的成功,把氢气存储于甲醇并在需要时重整释放的概念可能得到实际应用,这是氢能储存和输运体系的一个重大突破”。
6、研發出基于共格納米析出強化的新一代超高強鋼
析出相結構及其高共格特性
超高強鋼在航空航天、交通運輸、先進核能以及國防裝備等國民經濟重要領域發揮支撐作用,而且也是未來輕型化結構設計和安全防護的關鍵材料。
然而幾十年來高性能超高強鋼的研究始終基于傳統的半共格析出産生強共格畸變的學術思路,存在著析出相數量有限,析出尺寸不夠合理且分布不均勻的固有缺陷,這既降低了材料的塑韌性又嚴重影響服役安全性。此外,昂貴的制備成本也限制了其實際應用,成爲困擾高端鋼鐵工業發展的難題。
北京科技大学吕昭平研究组与合作者针对低成本高性能的目标,创新性提出利用高密度共格纳米析出相来强韧化超高强合金的设计思想,采用轻质且便宜的铝元素替代马氏体时效钢中昂贵的钴和钛等元素,大幅降低成本的同时通过简单的热处理促进极高密度、全共格纳米相析出,研发出共格纳米析出强化的新一代超高強鋼。他们通过调控晶格错配度使得析出相在产生极低共格畸变的同时又具有高的有序抗力,这极大增强了合金的强度但不牺牲其延展性能。所涉及的颠覆性合金设计思想也可应用于其它结构材料的研发。
相关研究进展发表在2017年4月27日在《自然》[Nature, 544(7651):460—464]
《自然·材料》(Nature Materials)发表专门评述文章指出,该研究“以完美的超强马氏体钢设计思想,简化的合金元素及析出相强化本质,为研发具有优异的强度、塑性和成本相结合的结构材料提供了新的途径”。
7、利用量子相變確定性制備出多粒子糾纏態

基于量子相變驅動的糾纏態生成
實現多粒子糾纏是量子物理實驗研究的一大追求。清華大學物理系尤力和鄭盟锟研究組,通過調控铷-87原子玻色-愛因斯坦凝聚體中的自旋混合過程,使其連續發生兩次量子相變,實現了包含約11000個原子的雙數態的確定性制備。通過直接觀測該糾纏態,他們表征其不同內態間原子數的差值的漲落低于經典極限10.7±0.6分貝,其集體自旋的歸一化長度爲近似完美的0.99±0.01。這兩個指標反映該多體糾纏態可以提供超越標准量子極限約6分貝的相位測量靈敏度,以及至少910個的糾纏原子數——創造了目前能確定性制備的量子糾纏粒子數目的世界紀錄。利用量子相變確定性制備多體糾纏態是一種嶄新的嘗試。由于連續量子相變點處有限系統的能隙很小,系統穿過相變點時會産生較大的激發。他們的研究顯示即使這種激發會發生,量子相變點兩邊迥異的多體能級結構依然能夠幫助制備出高品質的多粒子糾纏態。
這一全新的理解和糾纏態制備方法爲未來其它多粒子糾纏態的制備提供了一種思路。另外,雙數態的確定性制備爲超越標准量子極限的測量科學與技術的實用化發展,比如實現海森堡極限精度的原子鍾和原子幹涉儀等提供了一種可能。
相关研究进展发表在2017年2月10日《科学》[Science, 355(6318):620—623]
8、中國發現新型古人類化石
許昌人一號(右)和許昌人二號(左)頭骨化石
長期以來,古人類學界對在中國境內發現的中更新世晚期至晚更新世早期過渡階段古人類成員的演化地位一直存在爭議。爭論的焦點是:他們是由本地的古人類連續進化而來?還是外來人群的成功入侵者?最近在河南靈井遺址發現的兩件距今10.5—12.5萬年前的古人類——許昌人的頭骨化石,爲探討這一階段中國古人類的演化模式提供了重要信息。
中国科学院古脊椎动物与古人类研究所吴秀杰研究组与美国华盛顿大学Erik Trinkaus等合作的研究显示,许昌人颅骨既具有东亚古人类低矮的脑穹隆、扁平的颅中矢状面、最大颅宽的位置靠下的古老特征,同时又兼具欧亚大陆西部尼安德特人一样的枕骨(枕圆枕上凹/项部形态)和内耳迷路(半规管)形态,呈现出演化上的区域连续性和区域间种群交流的动态变化。此外,许昌人超大的脑量(1800 cc)和纤细化的脑颅结构,又体现出中更新世人类生物学特征演化的一般趋势。目前还无法将其归入任何已知的古人类成员之中,许昌人可能代表一种新型的古老型人类。
這項研究填補了古老型人類向早期現代人過渡階段中國古人類演化上的空白,表明晚更新世早期中國境內可能並存有多種古人類成員,不同群體之間有雜交或者基因交流。許昌人化石爲中國古人類演化的地區連續性以及與歐洲古人類之間的交流提供了一定程度的支持。
相关研究进展发表在2017年3月3日《科学》[Science, 355(6328): 969—972]
该研究发现引起了国内外学术界和媒体的极大关注,Science、Current Biology等国际顶端学术期刊都为此发表专题评论,认为这项研究填补了古老型人类向早期现代人过渡阶段东亚地区古人类演化上的空白,是中国学者在古人类研究领域取得的一项重大突破。

許昌人在現代人進化中的位置

9、酵母長染色體的精准定制合成



酿酒酵母長染色體的精准定制合成

基因組設計合成是對基因組進行全新設計和從頭構建,能夠按需塑造生命,開啓從非生命物質向生命物質轉化的大門,推動生命科學研究由理解生命向創造生命延伸。然而,基因組合成面臨長染色體難以精准合成、合成染色體導致細胞失活等難題。
天津大學元英進、清華大學戴俊彪、深圳華大基因楊煥明等團隊與合作者利用多級模塊化和標准化人工基因組合成方法,基于一步法大片段組裝技術和並行式染色體合成策略,實現了由小分子核苷酸到活體真核長染色體的定制合成,建立了基于多靶點片段共轉化的基因組精確修複技術和DNA大片段重複的修複技術,成功設計構建了4條釀酒酵母長染色體,實現了真核長染色體合成序列與設計序列的完全匹配;原創性地建立了基因組缺陷靶點快速定位方法,提供了表型和基因型關聯分析的新策略,通過缺陷靶點的定位與排除,解決了合成基因組導致細胞失活的難題;在此基礎上,構建了人工環形染色體,爲當前無法治療的染色體成環疾病發生機理和潛在治療手段建立了研究模型。該研究爲深化理解生命進化、基因組與功能關系等基礎科學問題提供了新的思路。
相关研究进展以4篇论文形式发表在2017年3月10日《科学》[Science, 355(6329): eaaf4704, eaaf4706, eaaf4791,eaaf3981]
研究成果引起国内外专家和媒体的极大关注。Science同期发表专文评论,Nature、Nature Biotechnology、Nature Reviews Genetics、Molecular Cell等多个顶级期刊均发表专文或亮点介绍,高度评价本工作,认为这是第一个全合成真核生物基因组的重要里程碑。
10、研制出可實現自由狀態腦成像的微型顯微成像系統

質量僅爲2.2克的可佩戴式雙光子熒光顯微鏡
北京大學生物膜與膜生物工程國家重點實驗室程和平及陳良怡研究組與電子工程與計算機科學學院張雲峰和王愛民等合作,運用微集成、微光學、超快光纖激光和半導體光電子學等技術,在高時空分辨在體成像系統研制方面取得突破性技術革新,成功研制出2.2克微型化佩戴式雙光子熒光顯微鏡,在國際上首次記錄了懸尾、跳台、社交等自然行爲條件下,小鼠大腦神經元和神經突觸活動的高速高分辨圖像。
此項突破性技術將開拓新的研究範式,在動物自然行爲條件下,實現對神經突觸、神經元、神經網絡、多腦區等多尺度、多層次動態信息處理的長時程觀察,這樣不僅可以“看得見”大腦學習、記憶、決策、思維的過程,還將爲可視化研究自閉症、阿爾茨海默病、癫痫等腦疾病的神經機制發揮重要作用。
相关研究进展发表在2017年7月《自然·方法学》[Nature Methods, 14(7):713—719]
该成像系统被2014年诺贝尔生理学或医学奖得主Edvard I. Moser称之为研究大脑的空间定位神经系统的革命性新工具。

可高時空分辨記錄神經元的突出活動


來源:中國科學院院刊

責任編輯:陳沖