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科学大咖带你看懂2017年度中国科学十大进展

科技部2月27日在北京公布了“2017年度中国科学十大进展”:

    实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态;

    将病毒直接转化为活疫苗及治疗性药物;

    首次探测到双粲重子;

    实验发现三重简并费米子;

    实现氢气的低温制备和存储;

    研发出基于共格纳米析出强化的新一代超高强钢;

    利用量子相变确定性制备出多粒子纠缠态;

    中国发现新型古人类化石;

    酵母长染色体的精准定制合成;

    研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统。

    科技部基础研究管理中心主任刘敏表示,入选的十大进展项目完成时间为2016年12月1日至2017年11月30日,绝大多数入选项目相关研究成果在《自然》《科学》等国际顶尖刊物发表,得到国际学术界高度评价,被视为“重大突破”或“填补空白”。

    据介绍,“中国科学十大进展”遴选活动由科技部基础研究管理中心牵头,联合《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》5家刊物编辑部共同组织,邀请中国科学院院士、中国工程院院士、973计划项目首席科学家等专家进行评选,至今已经成功举办13届。遴选活动分推荐、初选和终选3个环节。其中,终选采取网上投票,邀请两院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等2200余名专家学者对30项候选科学进展进行投票,得票数排名前10位的科学进展最终入选“2017年度中国科学十大进展”。

    为促进公众更好地理解和支持基础研究,科技部基础研究司、科技部基础研究管理中心当日在北京举办“2017年度中国科学十大进展专家解读会”,邀请清华大学薛其坤院士、中国科学院物理研究所向涛院士、中国科学院理论物理研究所张肇西院士等10位专家对十大进展进行了解读。

    1.实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态

 

 

科学大咖带你看懂2017年度中国科学十大进展

 

“墨子号”卫星实现千公里级量子纠缠分发。

    中国科学技术大学潘建伟和彭承志研究组联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组等,创新性地突破了包括天地双向高精度光跟瞄、空间高亮度量子纠缠源、抗强度涨落诱骗态量子光源以及空间长寿命低噪声单光子探测等多项关键技术,利用“墨子号”在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发,并在此基础上实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,实现了千公里级星地量子密钥分发和地星量子隐形传态,密钥分发速率比地面同距离光纤量子通信水平提高20个数量级。

    ●清华大学王向斌教授:“墨子号”量子科学实验卫星是由我国完全自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星,于2016年8月16日发射升空,2017年1月18日完成在轨测试,正式交付开展科学实验。此项研究是让量子通信驰骋于天地之间,为我国构建覆盖全球的天地一体化量子保密通信网络提供了可靠的技术支撑,为中国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了科学与技术基础。

    2.将病毒直接转化为活疫苗及治疗性药物

    北京大学药学院周德敏、张礼和研究组以流感病毒为模型,在保留病毒完整结构和感染力的情况下,仅突变病毒基因的一个三联遗传密码为终止密码,流感病毒就由致病性传染源变为预防性疫苗,再突变多个三联码为终止密码,病毒就变为治疗性药物。这种复制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到验证,达到广谱、持久和高效的效果。

    ●中国医学科学院药物研究所蒋建东研究员:流感、艾滋病和埃博拉出血热等烈性传染病时刻危害着人类的健康,其幕后“黑手”是结构和功能多样且快速变异的病毒,而疫苗是预防病毒感染的有效手段。该研究进展是病毒疫苗领域的革命性突破,是驯服病毒的新方法,也是我国长期支持基础研究、并鼓励基础研究进行临床转化的典型范例。

    3.首次探测到双粲重子

 

 

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由两个粲夸克和一个上夸克组成的双粲重子。

    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上底夸克探测器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。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。由清华大学高原宁领导的中国研究团队通过与国内理论家密切合作,主导了此次双粲重子发现的物理分析工作,对该粒子的发现作出了关键性贡献。

    ●中国科学院理论物理研究所张肇西院士:人类首次观测到双粲重子,为科研人员提供了检验量子色动力学的独特体系。对双粲重子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。

    4.实验发现三重简并费米子

 

 

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三重简并费米子(右)与四重简并狄拉克费米子(左)和两重简并外尔费米子(中)。

    中国科学院物理研究所丁洪、钱天和石友国研究组与合作者在上海光源“梦之线”和瑞士光源上利用角分辨光电子能谱实验技术,在磷化钼晶体中观测到一类具有三重简并的费米子。

    ●清华大学薛其坤院士:组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。现有的理论认为宇宙中只可能存在三种类型的费米子,即狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子,其中狄拉克费米子具有四重简并,外尔费米子和马约拉纳费米子具有两重简并,而三重简并的费米子在宇宙中是不存在的。寻找新型费米子是近年来凝聚态物理领域一个挑战性的前沿科学问题,也是该领域国际竞争的焦点之一。此研究进展开辟了探索凝聚态体系中非传统费米子的途径,对促进人们认识量子物态、发现新奇物理现象、开发新型电子器件具有重要的意义。

    5.实现氢气的低温制备和存储

    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18046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)。同时,该研究团队在水煤气变换产氢过程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。

    ●中国科学院化学研究所宋卫国研究员:氢能被誉为下一代二次清洁能源,但氢气的高效制备以及安全存储和运输一直以来是阻碍氢能源大规模应用的瓶颈。此研究进展是氢能储存和输运体系的一个重大突破,点亮了氢能汽车的未来。

    6.研发出基于共格纳米析出强化的新一代超高强钢

    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强钢。

    ●中国钢研科技集团有限公司雍歧龙研究员:超高强钢在航空航天、交通运输、先进核能等国民经济重要领域发挥支撑作用,而且也是未来轻型化结构设计和安全防护的关键材料。然而几十年来高性能超高强钢的研究始终基于传统的半共格析出产生强共格畸变的学术思路,存在着析出相数量有限,析出尺寸不够合理且分布不均匀的固有缺陷,这既降低了材料的塑韧性又严重影响服役安全性。此外,昂贵的制备成本也限制了其实际应用,成为困扰高端钢铁工业发展的难题。此研究进展为研发具有优异强度、塑性和低成本的结构材料提供了新途径,相信在航母、大飞机等领域也会有应用。

    7.利用量子相变确定性制备出多粒子纠缠态

    清华大学物理系尤力和郑盟锟研究组,通过调控铷-87原子玻色-爱因斯坦凝聚体中的自旋混合过程,使其连续发生两次量子相变,实现了包含约11000个原子的双数态的确定性制备。通过直接观测该纠缠态,他们表征其不同内态间原子数的差值的涨落低于经典极限10.7±0.6分贝,其集体自旋的归一化长度为近似完美的0.99±0.01。这两个指标创造了目前能确定性制备的量子纠缠粒子数目的世界纪录。

    ●中国科学院物理研究所向涛院士:实现多粒子纠缠是量子物理实验研究的一大追求。利用量子相变确定性制备多体纠缠态是一种崭新的尝试。这一全新的理解和纠缠态制备方法为未来其他多粒子纠缠态的制备提供了一种思路。另外,双数态的确定性制备为超越标准量子极限的测量科学与技术的实用化发展,比如实现海森堡极限精度的原子钟和原子干涉仪等提供了可能。

    8.中国发现新型古人类化石

 

 

科学大咖带你看懂2017年度中国科学十大进展

 

许昌人一号(右)和许昌人二号(左)头骨化石。

    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。此外,许昌人超大的脑量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。因此,许昌人可能代表一种新型的古老型人类。

 

 

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许昌人在现代人进化中的位置(单位Ma为百万年)。

    ●北京大学考古文博学院吴小红教授:长期以来,古人类学界对在中国境内发现的中更新世晚期至晚更新世早期过渡阶段古人类成员的演化地位一直存在争议。争论的焦点是:他们是由本地的古人类连续进化而来?还是外来人群的成功入侵者?许昌人化石为中国古人类演化的地区连续性以及与欧洲古人类之间的交流提供了一定程度的支持。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。

    9.酵母长染色体的精准定制合成

    天津大学元英进、清华大学戴俊彪、深圳华大基因杨焕明等团队与合作者利用多级模块化和标准化人工基因组合成方法,基于一步法大片段组装技术和并行式染色体合成策略,实现了由小分子核苷酸到活体真核长染色体的定制合成,建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复的修复技术,成功设计构建了4条酿酒酵母长染色体,实现了真核长染色体合成序列与设计序列的完全匹配;原创性地建立了基因组缺陷靶点快速定位方法,通过缺陷靶点的定位与排除,解决了合成基因组导致细胞失活的难题。在此基础上,构建了人工环形染色体,为当前无法治疗的染色体成环疾病发生机理和潜在治疗手段建立了研究模型。

    ●清华大学刘磊教授:基因组设计合成是对基因组进行全新设计和从头构建,能够按需塑造生命,开启从非生命物质向生命物质转化的大门,推动生命科学研究由理解生命向创造生命延伸。然而,基因组合成面临长染色体难以精准合成、合成染色体导致细胞失活等难题。此研究进展为深化理解生命进化、基因组与功能关系等基础科学问题提供了新思路,是第一个全合成真核生物基因组的里程碑。

    10.研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统

 

 

科学大咖带你看懂2017年度中国科学十大进展

 

左:质量仅为2.2克的可佩戴式双光子荧光显微镜。右:科学家利用双光子荧光显微镜观察小鼠大脑。

    北京大学膜生物学国家重点实验室程和平及陈良怡研究组与信息科学技术学院张云峰和王爱民等合作,运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电子学等技术,在高时空分辨在体成像系统研制方面取得突破性技术革新,成功研制出2.2克微型化佩戴式双光子荧光显微镜,在国际上首次记录了悬尾、跳台、社交等自然行为条件下,小鼠大脑神经元和神经突触活动的高速高分辨图像。

    ●清华大学祁海教授:此项研究进展将开拓新研究范式,在动物自然行为条件下,实现对神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理的长时程观察,这样不仅可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程,还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。

责编:冯颢

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