【行業(yè)新聞】科學(xué)大咖帶你看懂2017年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展
科技部2月27日在北京公布了“2017年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”：實(shí)現(xiàn)星地千公里級(jí)量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)；將病毒直接轉(zhuǎn)化為活疫苗及治療性藥物；首次探測(cè)到雙粲重子；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子；實(shí)現(xiàn)氫氣的低溫制備和存儲(chǔ)；研發(fā)出基于共格納米析出強(qiáng)化的新一代超高強(qiáng)鋼；利用量子相變確定性制備出多粒子糾纏態(tài)；中國(guó)發(fā)現(xiàn)新型古人類化石；酵母長(zhǎng)染色體的精準(zhǔn)定制合成；研制出可實(shí)現(xiàn)自由狀態(tài)腦成像的微型顯微成像系統(tǒng)。
①“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)。圖片由科技部提供
②由兩個(gè)粲夸克和一個(gè)上夸克組成的雙粲重子。圖片由科技部提供
③三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子(右)與四重簡(jiǎn)并狄拉克費(fèi)米子(左)和兩重簡(jiǎn)并外爾費(fèi)米子(中)。圖片由科技部提供
④許昌人一號(hào)(右)和許昌人二號(hào)(左)頭骨化石。圖片由科技部提供
圖片由科技部提供
科技部基礎(chǔ)研究管理中心主任劉敏表示，入選的十大進(jìn)展項(xiàng)目完成時(shí)間為2016年12月1日至2017年11月30日，絕大多數(shù)入選項(xiàng)目相關(guān)研究成果在《自然》、《科學(xué)》等國(guó)際頂尖刊物發(fā)表，得到國(guó)際學(xué)術(shù)界高度評(píng)價(jià)，被視為“重大突破”或“填補(bǔ)空白”。
據(jù)介紹，“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”遴選活動(dòng)由科技部基礎(chǔ)研究管理中心牽頭，聯(lián)合《中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)》《科技導(dǎo)報(bào)》《中國(guó)科學(xué)院院刊》《中國(guó)科學(xué)基金》和《科學(xué)通報(bào)》5家刊物編輯部共同組織，邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)工程院院士、973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家等專家進(jìn)行評(píng)選，至今已經(jīng)成功舉辦13屆。遴選活動(dòng)分推薦、初選和終選3個(gè)環(huán)節(jié)。其中，終選采取網(wǎng)上投票，邀請(qǐng)兩院院士、973計(jì)劃顧問(wèn)組和咨詢組專家、973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任等2200余名專家學(xué)者對(duì)30項(xiàng)候選科學(xué)進(jìn)展進(jìn)行投票，得票數(shù)排名前10位的科學(xué)進(jìn)展最終入選“2017年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。
為促進(jìn)公眾更好地理解和支持基礎(chǔ)研究，科技部基礎(chǔ)研究司、科技部基礎(chǔ)研究管理中心當(dāng)日在北京舉辦“2017年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展專家解讀會(huì)”，邀請(qǐng)清華大學(xué)薛其坤院士、中國(guó)科學(xué)院物理研究所向濤院士、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所張肇西院士等10位專家對(duì)十大進(jìn)展進(jìn)行了解讀。
1.實(shí)現(xiàn)星地千公里級(jí)量子糾纏和密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和彭承志研究組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組等，創(chuàng)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(qiáng)度漲落誘騙態(tài)量子光源以及空間長(zhǎng)壽命低噪聲單光子探測(cè)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，利用“墨子號(hào)”在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)空間尺度嚴(yán)格滿足“愛(ài)因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)，密鑰分發(fā)速率比地面同距離光纖量子通信水平提高20個(gè)數(shù)量級(jí)。見(jiàn)圖①
●清華大學(xué)王向斌教授：“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是由我國(guó)完全自主研制的世界上第一顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，于2016年8月16日發(fā)射升空，2017年1月18日完成在軌測(cè)試，正式交付開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。此項(xiàng)研究是讓量子通信馳騁于天地之間，為我國(guó)構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的技術(shù)支撐，為中國(guó)在未來(lái)繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問(wèn)題檢驗(yàn)前沿研究奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
2.將病毒直接轉(zhuǎn)化為活疫苗及治療性藥物
北京大學(xué)藥學(xué)院周德敏、張禮和研究組以流感病毒為模型，在保留病毒完整結(jié)構(gòu)和感染力的情況下，僅突變病毒基因的一個(gè)三聯(lián)遺傳密碼為終止密碼，流感病毒就由致病性傳染源變?yōu)轭A(yù)防性疫苗，再突變多個(gè)三聯(lián)碼為終止密碼，病毒就變?yōu)橹委熜运幬铩＿@種復(fù)制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到驗(yàn)證，達(dá)到廣譜、持久和高效的效果。
●中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所蔣建東研究員：流感、艾滋病和埃博拉出血熱等烈性傳染病時(shí)刻危害著人類的健康，其幕后“黑手”是結(jié)構(gòu)和功能多樣且快速變異的病毒，而疫苗是預(yù)防病毒感染的有效手段。該研究進(jìn)展是病毒疫苗領(lǐng)域的革命性突破，是馴服病毒的新方法，也是我國(guó)長(zhǎng)期支持基礎(chǔ)研究、并鼓勵(lì)基礎(chǔ)研究進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化的典型范例。
3.首次探測(cè)到雙粲重子
歐洲核子研究中心于2017年7月6日宣布，來(lái)自大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上底夸克探測(cè)器國(guó)際合作組的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種被稱為雙粲重子的新粒子。與質(zhì)子和中子類似，新發(fā)現(xiàn)的雙粲重子由三個(gè)夸克組成，但其夸克組分不同：質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成，而雙粲重子則由兩個(gè)較重的粲夸克和一個(gè)上夸克組成。由清華大學(xué)高原寧領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)與國(guó)內(nèi)理論家密切合作，主導(dǎo)了此次雙粲重子發(fā)現(xiàn)的物理分析工作，對(duì)該粒子的發(fā)現(xiàn)作出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。見(jiàn)圖②
●中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所張肇西院士：人類首次觀測(cè)到雙粲重子，為科研人員提供了檢驗(yàn)量子色動(dòng)力學(xué)的獨(dú)特體系。對(duì)雙粲重子性質(zhì)的研究將有助于人類深入理解物質(zhì)的構(gòu)成和強(qiáng)相互作用力的本質(zhì)。
4.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子
中國(guó)科學(xué)院物理研究所丁洪、錢天和石友國(guó)研究組與合作者在上海光源“夢(mèng)之線”和瑞士光源上利用角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在磷化鉬晶體中觀測(cè)到一類具有三重簡(jiǎn)并的費(fèi)米子。見(jiàn)圖③
●清華大學(xué)薛其坤院士：組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費(fèi)米子?，F(xiàn)有的理論認(rèn)為宇宙中只可能存在三種類型的費(fèi)米子，即狄拉克費(fèi)米子、外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子，其中狄拉克費(fèi)米子具有四重簡(jiǎn)并，外爾費(fèi)米子和馬約拉納費(fèi)米子具有兩重簡(jiǎn)并，而三重簡(jiǎn)并的費(fèi)米子在宇宙中是不存在的。尋找新型費(fèi)米子是近年來(lái)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域一個(gè)挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問(wèn)題，也是該領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。此研究進(jìn)展開(kāi)辟了探索凝聚態(tài)體系中非傳統(tǒng)費(fèi)米子的途徑，對(duì)促進(jìn)人們認(rèn)識(shí)量子物態(tài)、發(fā)現(xiàn)新奇物理現(xiàn)象、開(kāi)發(fā)新型電子器件具有重要的意義。
5.實(shí)現(xiàn)氫氣的低溫制備和存儲(chǔ)
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院馬丁研究組與中國(guó)科學(xué)院山西煤化研究所溫曉東以及大連理工大學(xué)石川等合作的研究表明，將鉑單原子分散在面心立方結(jié)構(gòu)的碳化鉬上制備的催化劑可用于甲醇的液相重整，在較低溫度下（150—190攝氏度）能夠表現(xiàn)出很高的產(chǎn)氫活性，可達(dá)每摩爾鉑每小時(shí)產(chǎn)氫18046摩爾。這種優(yōu)越的制氫能力遠(yuǎn)大于以前報(bào)道的低溫甲醇重整催化劑（高出近兩個(gè)數(shù)量級(jí)）。同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)在水煤氣變換產(chǎn)氫過(guò)程中也突破了低溫條件下高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)速率不能兼得的難題。
●中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋衛(wèi)國(guó)研究員：氫能被譽(yù)為下一代二次清潔能源，但氫氣的高效制備以及安全存儲(chǔ)和運(yùn)輸一直以來(lái)是阻礙氫能源大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。此研究進(jìn)展是氫能儲(chǔ)存和輸運(yùn)體系的一個(gè)重大突破，點(diǎn)亮了氫能汽車的未來(lái)。
6.研發(fā)出基于共格納米析出強(qiáng)化的新一代超高強(qiáng)鋼
北京科技大學(xué)呂昭平研究組與合作者針對(duì)低成本高性能的目標(biāo)，創(chuàng)新性提出利用高密度共格納米析出相來(lái)強(qiáng)韌化超高強(qiáng)合金的設(shè)計(jì)思想，采用輕質(zhì)且便宜的鋁元素替代馬氏體時(shí)效鋼中昂貴的鈷和鈦等元素，大幅降低成本的同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)單的熱處理促進(jìn)極高密度、全共格納米相析出，研發(fā)出共格納米析出強(qiáng)化的新一代超高強(qiáng)鋼。
●中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司雍歧龍研究員：超高強(qiáng)鋼在航空航天、交通運(yùn)輸、先進(jìn)核能等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域發(fā)揮支撐作用，而且也是未來(lái)輕型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全防護(hù)的關(guān)鍵材料。然而幾十年來(lái)高性能超高強(qiáng)鋼的研究始終基于傳統(tǒng)的半共格析出產(chǎn)生強(qiáng)共格畸變的學(xué)術(shù)思路，存在著析出相數(shù)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(yán)重影響服役安全性。此外，昂貴的制備成本也限制了其實(shí)際應(yīng)用，成為困擾高端鋼鐵工業(yè)發(fā)展的難題。此研究進(jìn)展為研發(fā)具有優(yōu)異強(qiáng)度、塑性和低成本的結(jié)構(gòu)材料提供了新途徑，相信在航母、大飛機(jī)等領(lǐng)域也會(huì)有應(yīng)用。
7.利用量子相變確定性制備出多粒子糾纏態(tài)
清華大學(xué)物理系尤力和鄭盟錕研究組，通過(guò)調(diào)控銣-87原子玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體中的自旋混合過(guò)程，使其連續(xù)發(fā)生兩次量子相變，實(shí)現(xiàn)了包含約11000個(gè)原子的雙數(shù)態(tài)的確定性制備。通過(guò)直接觀測(cè)該糾纏態(tài)，他們表征其不同內(nèi)態(tài)間原子數(shù)的差值的漲落低于經(jīng)典極限10.7±0.6分貝，其集體自旋的歸一化長(zhǎng)度為近似完美的0.99±0.01。這兩個(gè)指標(biāo)創(chuàng)造了目前能確定性制備的量子糾纏粒子數(shù)目的世界紀(jì)錄。
●中國(guó)科學(xué)院物理研究所向濤院士：實(shí)現(xiàn)多粒子糾纏是量子物理實(shí)驗(yàn)研究的一大追求。利用量子相變確定性制備多體糾纏態(tài)是一種嶄新的嘗試。這一全新的理解和糾纏態(tài)制備方法為未來(lái)其他多粒子糾纏態(tài)的制備提供了一種思路。另外，雙數(shù)態(tài)的確定性制備為超越標(biāo)準(zhǔn)量子極限的測(cè)量科學(xué)與技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展，比如實(shí)現(xiàn)海森堡極限精度的原子鐘和原子干涉儀等提供了可能。
8.中國(guó)發(fā)現(xiàn)新型古人類化石
中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所吳秀杰研究組與美國(guó)華盛頓大學(xué)Erik Trinkaus等合作的研究顯示，許昌人顱骨既具有東亞古人類低矮的腦穹隆、扁平的顱中矢狀面、最大顱寬的位置靠下的古老特征，同時(shí)又兼具歐亞大陸西部尼安德特人一樣的枕骨（枕圓枕上凹/項(xiàng)部形態(tài)）和內(nèi)耳迷路（半規(guī)管）形態(tài)。此外，許昌人超大的腦量和纖細(xì)化的腦顱結(jié)構(gòu)，又體現(xiàn)出中更新世人類生物學(xué)特征演化的一般趨勢(shì)。因此，許昌人可能代表一種新型的古老型人類。見(jiàn)圖④⑤
●北京大學(xué)考古文博學(xué)院吳小紅教授：長(zhǎng)期以來(lái)，古人類學(xué)界對(duì)在中國(guó)境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的中更新世晚期至晚更新世早期過(guò)渡階段古人類成員的演化地位一直存在爭(zhēng)議。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是：他們是由本地的古人類連續(xù)進(jìn)化而來(lái)？還是外來(lái)人群的成功入侵者？許昌人化石為中國(guó)古人類演化的地區(qū)連續(xù)性以及與歐洲古人類之間的交流提供了一定程度的支持。這項(xiàng)研究填補(bǔ)了古老型人類向早期現(xiàn)代人過(guò)渡階段東亞地區(qū)古人類演化上的空白。
9.酵母長(zhǎng)染色體的精準(zhǔn)定制合成
天津大學(xué)元英進(jìn)、清華大學(xué)戴俊彪、深圳華大基因楊煥明等團(tuán)隊(duì)與合作者利用多級(jí)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化人工基因組合成方法，基于一步法大片段組裝技術(shù)和并行式染色體合成策略，實(shí)現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核長(zhǎng)染色體的定制合成，建立了基于多靶點(diǎn)片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復(fù)技術(shù)和DNA大片段重復(fù)的修復(fù)技術(shù)，成功設(shè)計(jì)構(gòu)建了4條釀酒酵母長(zhǎng)染色體，實(shí)現(xiàn)了真核長(zhǎng)染色體合成序列與設(shè)計(jì)序列的完全匹配；原創(chuàng)性地建立了基因組缺陷靶點(diǎn)快速定位方法，通過(guò)缺陷靶點(diǎn)的定位與排除，解決了合成基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了人工環(huán)形染色體，為當(dāng)前無(wú)法治療的染色體成環(huán)疾病發(fā)生機(jī)理和潛在治療手段建立了研究模型。
●清華大學(xué)劉磊教授：基因組設(shè)計(jì)合成是對(duì)基因組進(jìn)行全新設(shè)計(jì)和從頭構(gòu)建，能夠按需塑造生命，開(kāi)啟從非生命物質(zhì)向生命物質(zhì)轉(zhuǎn)化的大門，推動(dòng)生命科學(xué)研究由理解生命向創(chuàng)造生命延伸。然而，基因組合成面臨長(zhǎng)染色體難以精準(zhǔn)合成、合成染色體導(dǎo)致細(xì)胞失活等難題。此研究進(jìn)展為深化理解生命進(jìn)化、基因組與功能關(guān)系等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題提供了新思路，是第一個(gè)全合成真核生物基因組的里程碑。
10.研制出可實(shí)現(xiàn)自由狀態(tài)腦成像的微型顯微成像系統(tǒng)
北京大學(xué)膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程和平及陳良怡研究組與信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院張?jiān)品搴屯鯋?ài)民等合作，運(yùn)用微集成、微光學(xué)、超快光纖激光和半導(dǎo)體光電子學(xué)等技術(shù)，在高時(shí)空分辨在體成像系統(tǒng)研制方面取得突破性技術(shù)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(guó)際上首次記錄了懸尾、跳臺(tái)、社交等自然行為條件下，小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動(dòng)的高速高分辨圖像。見(jiàn)圖⑥⑦
●清華大學(xué)祁海教授：此項(xiàng)研究進(jìn)展將開(kāi)拓新研究范式，在動(dòng)物自然行為條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)突觸、神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多腦區(qū)等多尺度、多層次動(dòng)態(tài)信息處理的長(zhǎng)時(shí)程觀察，這樣不僅可以“看得見(jiàn)”大腦學(xué)習(xí)、記憶、決策、思維的過(guò)程，還將為可視化研究自閉癥、阿爾茨海默病、癲癇等腦疾病的神經(jīng)機(jī)制發(fā)揮重要作用。
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