近日，教育部公布了2016年度“中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”入選項(xiàng)目介紹。當(dāng)中，還出現(xiàn)了質(zhì)譜、冷凍電鏡等科學(xué)儀器的身影。
一、世界首例真實(shí)穩(wěn)定可控的單分子電子開關(guān)器件
利用單分子構(gòu)建電子器件對(duì)突破目前半導(dǎo)體器件微小化發(fā)展的瓶頸意義重大。實(shí)現(xiàn)可控的單分子電子開關(guān)功能是驗(yàn)證分子能否作為核心組件應(yīng)用到電子器件中的關(guān)鍵。自上個(gè)世紀(jì)70年代以來，設(shè)計(jì)構(gòu)筑穩(wěn)定可控的單分子器件，探索其與微電子工藝的兼容性，并獲得真正意義上的分子電子開關(guān)，在當(dāng)代納米電子學(xué)研究中具有重大的科學(xué)意義。
郭雪峰團(tuán)隊(duì)圍繞單分子光電子學(xué)領(lǐng)域開展了長(zhǎng)達(dá)9年的潛心鉆研和持續(xù)攻關(guān)。他們?cè)瓌?chuàng)性地發(fā)展了以石墨烯為電極、通過共價(jià)鍵連接的穩(wěn)定單分子器件的關(guān)鍵制備方法，解決了單分子器件制備難、穩(wěn)定性差的難題。在此基礎(chǔ)上，通過功能導(dǎo)向的分子工程學(xué)成功地克服了二芳烯分子與石墨烯電極間強(qiáng)耦合作用的核心挑戰(zhàn)性問題，從而突破性地構(gòu)建了一類全可逆的光誘導(dǎo)和電場(chǎng)誘導(dǎo)的雙模式單分子光電子器件。這項(xiàng)研究工作使得在中國誕生了世界首例真實(shí)穩(wěn)定可控的單分子電子開關(guān)器件。這也是幾十年來我國在分子電子學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究第一次發(fā)表在《Science》雜志上。
論文于2016年6月17日發(fā)表在《Science》上，申請(qǐng)了發(fā)明專利。這項(xiàng)研究證明功能分子可以作為核心組件來構(gòu)建電子回路，為將功能分子應(yīng)用到實(shí)用電子器件中邁出了關(guān)鍵的一步?！禨cience》同期配發(fā)了長(zhǎng)篇正面評(píng)述，得到了國內(nèi)外同行的廣泛認(rèn)可和各種媒體的亮點(diǎn)報(bào)道。
二、發(fā)現(xiàn)原子核手征對(duì)稱性和空間反射對(duì)稱性的聯(lián)立自發(fā)破缺
對(duì)稱性及其破缺是基本的科學(xué)問題。手征對(duì)稱性(又稱手性)在自然界中廣泛存在，如左右手、海螺殼、某些化學(xué)和藥物分子等都有手性。原子核層次的手征對(duì)稱性由孟杰及其合作者于1997年預(yù)言，后來得到證實(shí)，引起廣泛關(guān)注。探索原子核的手征對(duì)稱性，可以獲得原子核形狀及其運(yùn)動(dòng)模式等信息，具有重要的科學(xué)意義。
北京大學(xué)孟杰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于原子核手征對(duì)稱性研究且持續(xù)取得進(jìn)展：2006年預(yù)言原子核的多重手征對(duì)稱性，激發(fā)國際相關(guān)研究，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并得到證實(shí);2011年發(fā)現(xiàn)手性原子核Br-80，將原子核手征對(duì)稱性研究擴(kuò)展到新的核區(qū)。2016年，通過重離子熔合蒸發(fā)反應(yīng)，利用在束伽瑪符合、帶電粒子符合、線性極化等實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，在原子核Br-78中發(fā)現(xiàn)了宇稱相反的兩對(duì)手征雙重帶，以及表征它們之間八極關(guān)聯(lián)的電偶極躍遷，給出了手征對(duì)稱性和空間反射對(duì)稱性聯(lián)立自發(fā)破缺的證據(jù)。
研究結(jié)果于2016年3月發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》，并被遴選為封面文章。這是核物理領(lǐng)域，中國學(xué)者在該刊發(fā)表的首篇封面文章。該工作發(fā)現(xiàn)了目前最輕的手性原子核Br-78，以及手征對(duì)稱性和空間反射對(duì)稱性聯(lián)立自發(fā)破缺的證據(jù)，深化了對(duì)原子核復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其表現(xiàn)形式的認(rèn)識(shí)。
三、高效率高比沖磁聚焦霍爾推進(jìn)技術(shù)
2016年11月3日我國空間電推進(jìn)技術(shù)取得重大進(jìn)展，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)于達(dá)仁、賈德昌教授團(tuán)隊(duì)和中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五〇二研究所聯(lián)合研制的磁聚焦霍爾推力器HEP-100MF成功搭載長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭在實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星上進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，這是世界首次磁聚焦霍爾推力器實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用。
目前，該磁聚焦霍爾推力器已完成了包括點(diǎn)火、性能標(biāo)定、長(zhǎng)穩(wěn)態(tài)測(cè)試及衛(wèi)星系統(tǒng)兼容性等所有在軌考核，各項(xiàng)參數(shù)均滿足指標(biāo)要求，其中磁聚焦與羽流發(fā)散角控制技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
該團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)14年，充分發(fā)揮學(xué)科交叉的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)，先后突破了寬范圍磁聚焦、熱/電/磁耦合設(shè)計(jì)、放電低頻振蕩控制、低功耗高可靠空心陰極穩(wěn)定放電、耐離子濺射氮化硼基特種陶瓷材料等關(guān)鍵技術(shù)，研制的磁聚焦霍爾推力器比沖比國際著名同類產(chǎn)品SPT-100提高20%，羽流發(fā)散角減小了60%，大幅降低了推力器燃料消耗，并顯著降低了羽流對(duì)航天器的影響，為我國新一代長(zhǎng)壽命航天平臺(tái)提供了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型電推進(jìn)技術(shù)。該成果將為我國新一代通訊衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、空間站及深空探測(cè)提供技術(shù)支撐，是國際電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。
四、高效鈣鈦礦發(fā)光器件研究
照明對(duì)于人類文明的重要性不言而喻。從遠(yuǎn)古時(shí)期的火把、中世紀(jì)的蠟燭，到近代的油燈、現(xiàn)代的電燈和當(dāng)代的LED，人類尋找新型光源的腳步從未停歇。當(dāng)前，照明消耗了全球發(fā)電量的30%以上，探索環(huán)境友好、高效節(jié)能的照明系統(tǒng)愈發(fā)重要。有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的發(fā)光性能和可大面積低成本加工的潛力，在照明與顯示領(lǐng)域具有廣闊前景。
南京工業(yè)大學(xué)黃維院士和王建浦教授領(lǐng)導(dǎo)的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)是國際上最早認(rèn)識(shí)到此類材料的發(fā)光潛力，并著力制備鈣鈦礦發(fā)光二極管器件的團(tuán)隊(duì)之一。2016年，他們創(chuàng)造性地利用溶液自組裝方法制備了多量子阱結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦發(fā)光材料。該材料不僅保持了二維鈣鈦礦成膜質(zhì)量高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，而且在不同帶隙量子阱之間可發(fā)生快速的階梯能量轉(zhuǎn)移，有效克服了常溫下二維鈣鈦礦激子易猝滅的缺點(diǎn)。在世界上首次實(shí)現(xiàn)了外量子效率達(dá)11.7%的高效鈣鈦礦電致發(fā)光器件，同時(shí)器件壽命較三維鈣鈦礦器件提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
系列創(chuàng)新性研究成果相繼發(fā)表在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上，并已申請(qǐng)兩項(xiàng)發(fā)明專利。其中，代表性成果于2016年9月26日在Nature Photonics上發(fā)表，是全球首篇鈣鈦礦發(fā)光器件外量子效率突破10%的報(bào)道，也是目前此類器件的世界最高效率，為鈣鈦礦材料及其在發(fā)光領(lǐng)域的研究開拓了新方向。
五、復(fù)雜電網(wǎng)自律-協(xié)同無功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
電壓是智能電網(wǎng)運(yùn)行的核心指標(biāo)。電壓?jiǎn)栴}已成為全球歷次重大停電事故的關(guān)鍵誘因，同時(shí)也是大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)的一個(gè)主要障礙。復(fù)雜電網(wǎng)電壓控制(AVC)是世界性難題，在該領(lǐng)域國際權(quán)威、美國一流大學(xué)課題組研究擱淺后，美國電網(wǎng)轉(zhuǎn)而尋求與該項(xiàng)目組合作。
該項(xiàng)目歷經(jīng)20余年，創(chuàng)造性提出了“自律+協(xié)同”的技術(shù)路線，突破了AVC從單控制中心到多控制中心、從常規(guī)電網(wǎng)到可再生能源電網(wǎng)、從中國電網(wǎng)到北美電網(wǎng)應(yīng)用中的系列關(guān)鍵難題，研制出自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)AVC系統(tǒng)，已在我國6大區(qū)電網(wǎng)、22個(gè)省級(jí)電網(wǎng)和6個(gè)千萬千瓦級(jí)風(fēng)光基地應(yīng)用，控制了全國56%的常規(guī)機(jī)組與37%的風(fēng)/光機(jī)組，在智能電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和大規(guī)?？稍偕茉唇蛹{等方面取得了巨大經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。同時(shí)，該項(xiàng)目突破了美國三輪嚴(yán)酷的信息安全檢查，歷時(shí)3年零4個(gè)月，解答了3千余個(gè)信息安全問題，控制了包括美國首都和東部十三個(gè)州的PJM電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了美國首例AVC，是我國先進(jìn)電網(wǎng)控制系統(tǒng)首次出口美國。
由教育部組織、六位院士領(lǐng)銜的鑒定委員會(huì)認(rèn)為：項(xiàng)目是“重大的原創(chuàng)性科研成果，引領(lǐng)了電力系統(tǒng)電壓控制領(lǐng)域的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步”、“具有里程碑意義”。美國能源部顧問、工程院院士Prof. BOSE認(rèn)為該成果“使中國在電壓控制領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先于世界”。
六、植物分枝激素獨(dú)腳金內(nèi)酯的感知機(jī)制
植物分枝是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要農(nóng)藝性狀，對(duì)于植物株型和作物產(chǎn)量有重要影響;植物激素獨(dú)腳金內(nèi)酯不僅調(diào)控植物分枝，還調(diào)節(jié)植物與共生真菌及寄生雜草的相互作用。闡明激素感知機(jī)制，是生物學(xué)領(lǐng)域的重大科學(xué)問題，對(duì)揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)、提高生物的生存和發(fā)展能力具有重要意義。迄今發(fā)現(xiàn)的動(dòng)植物經(jīng)典激素，都遵循1880s年代以來揭示的“配體-受體”可逆識(shí)別規(guī)律：激素活性分子通過非共價(jià)鍵可逆地結(jié)合受體，循環(huán)地觸發(fā)信號(hào)傳導(dǎo)鏈，調(diào)控各種生命活動(dòng)。
清華大學(xué)謝道昕、饒子和及婁智勇等合作發(fā)現(xiàn)了獨(dú)腳金內(nèi)酯的活性分子、闡明了獨(dú)腳金內(nèi)酯的受體、揭示了新型的“受體-配體”不可逆識(shí)別機(jī)制：D14蛋白作為新型激素受體，首先參與合成獨(dú)腳金內(nèi)酯活性分子CLIM，然后通過共價(jià)鍵不可逆地結(jié)合CLIM、觸發(fā)信號(hào)傳導(dǎo)鏈、調(diào)控植物分枝，最終水解CLIM、釋放沒有活性的分子。
該工作于2016年8月發(fā)表在《Nature》上?！禢ature》、《Science Signaling》和《Science China Life Sciences》發(fā)表專文高度評(píng)價(jià)該工作，新發(fā)現(xiàn)的“受體-配體”不可逆識(shí)別機(jī)制不同于百年研究歷程所建立的“配體-受體”可逆識(shí)別機(jī)制，是生命科學(xué)領(lǐng)域激素研究的重大突破，具有重大科學(xué)意義。該研究可為作物株型改良和寄生雜草防治提供理論指導(dǎo)，具有潛在應(yīng)用前景。
七、肌肉興奮-收縮偶聯(lián)的分子機(jī)理探索
肌肉興奮收縮偶聯(lián)(Excitation-contraction coupling, E-C coupling)指的是肌肉接受神經(jīng)信號(hào)發(fā)生收縮的過程，是動(dòng)物最基本的生理過程之一。該過程涉及到兩類重要的鈣離子通道，分別是位于細(xì)胞膜上的電壓門控鈣離子通道Cav和位于肌質(zhì)網(wǎng)膜上的蘭尼堿受體RyR。Cav被細(xì)胞膜的動(dòng)作電位激活，進(jìn)一步誘導(dǎo)下游RyR的激活開放，從而引發(fā)鈣離子大量快速從肌質(zhì)網(wǎng)釋放至細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)而引起肌肉的收縮。Cav的功能異常會(huì)導(dǎo)致心率紊亂、癲癇等疾病;RyR的異常則會(huì)導(dǎo)致肌中央軸空病等疾病。因此，它們是重要的藥物靶點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)的解析工作具有重要的生理學(xué)和藥理學(xué)意義。
顏寧研究組利用前沿的單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，在世界上首次解析了骨骼肌中RyR1和Cav1.1以及心肌中RyR2的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，這一系列突破為理解肌肉興奮收縮偶聯(lián)過程提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。尤為值得一提的是，Cav1.1系首個(gè)真核電壓門控鈣離子通道的結(jié)構(gòu)，此成果備受矚目，不僅為理解與多種疾病相關(guān)的電壓門控鈣離子通道和鈉離子通道的功能和機(jī)理提供了分子基礎(chǔ)，也為基于結(jié)構(gòu)的藥物研發(fā)提供了理論指導(dǎo)。
相關(guān)成果共發(fā)表5篇高水平論文。其中Cav1.1相關(guān)工作于2015年12月18日和2016年9月8日分別在Science和Nature發(fā)表;RyR1相關(guān)工作于2015年1月1日和2016年7月29日發(fā)表在Nature和Cell Research;RyR2工作于2016年10月21日在Science發(fā)表。
八、亞洲季風(fēng)的變化規(guī)律及其與全球氣候變化的關(guān)系
西安交通大學(xué)全球變化研究院程海團(tuán)隊(duì)在國際合作的基礎(chǔ)上發(fā)展了國際先進(jìn)水平的鈾系質(zhì)譜測(cè)量技術(shù)(包括提高 230Th和234U半衰期的精準(zhǔn)度)，在此基礎(chǔ)上分別建立了世界最長(zhǎng)尺度的東亞季風(fēng)(64萬年)、印度季風(fēng)(28萬年)、南美季風(fēng)(25萬年)和中亞?中國西部西風(fēng)帶(13.5和50萬年)的高精度高分辨率石筍同位素記錄、及其與全球氣候變化之間的相關(guān)關(guān)系，為全球氣候變化研究提供了重要的時(shí)間標(biāo)尺。特別是于2016年6月在《Nature》上以Article形式發(fā)表“64萬年以來的亞洲季風(fēng)記錄與冰期終止”的論文，通過建立具有精確的絕對(duì)年代控制的石筍同位素記錄、及其與海洋和冰芯記錄的對(duì)比關(guān)系，進(jìn)一步揭示了10萬年的冰期?間冰期循環(huán)是4?5個(gè)歲差周期的平均;發(fā)現(xiàn)去除太陽輻射影響后的亞軌道尺度石筍氣候變化序列與去趨勢(shì)后的南極溫度記錄呈精致的反相關(guān)關(guān)系，并且兩者的亞軌道尺度變化都具有比地球偏心率周期更強(qiáng)的歲差和傾角周期;結(jié)合深入解析過去64萬年以來不同幅度千年氣候事件(包括冰期終止事件)之間的內(nèi)在相似性，進(jìn)一步回答了“100ka problem”這一經(jīng)典科學(xué)問題。從一定意義上講，上述工作為洞穴沉積成為古氣候變化研究領(lǐng)域的‘第四大支柱’、以及我國石筍古氣候研究在國際上取得領(lǐng)先地位做出了重要貢獻(xiàn)。
九、腦機(jī)融合的混合智能理論與方法
當(dāng)天生“弱視”的大鼠通過腦機(jī)通訊“嫁接”上機(jī)器視覺，它就如看懂了路標(biāo)，在迷宮里里識(shí)別路標(biāo)沿路成功找到目標(biāo)物;當(dāng)一只猴子想喝一口面前的飲料，它可以通過“意念”控制遠(yuǎn)處的機(jī)械手作出抓、勾、握、捏四種手勢(shì)，完成不同的任務(wù)。這一些充滿科幻色彩的“不可能”，正在浙江大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室成為現(xiàn)實(shí)。
在國家973計(jì)劃、國家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目等支持下，浙江大學(xué)吳朝暉、鄭筱祥教授率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)圍繞腦機(jī)融合問題潛心研究十余年，在國際上率先提出“混合智能”的研究范式——生物智能與機(jī)器智能的融合，形成了一系列突破理論與創(chuàng)新技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，將生物自身的感認(rèn)知能力與機(jī)器的計(jì)算能力深度結(jié)合，有望產(chǎn)生超越現(xiàn)有系統(tǒng)的更強(qiáng)智能形態(tài)。這一探索在殘障康復(fù)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、國防安保等關(guān)系到國計(jì)民生和國防安全等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用前景。
目前，團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)將計(jì)算機(jī)的聽視覺識(shí)別能力“嫁接”到生物體上，構(gòu)建了聽視覺增強(qiáng)的大鼠機(jī)器人;在國內(nèi)首例實(shí)現(xiàn)人意念控制機(jī)械手，完成“石頭-剪刀-布”猜拳游戲;實(shí)現(xiàn)了用機(jī)器智能增強(qiáng)大鼠自身的學(xué)習(xí)能力，回答了腦機(jī)融合是否能使生物體獲得學(xué)習(xí)增強(qiáng)的疑問。面對(duì)人類疾病，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了動(dòng)物平臺(tái)的“癲癇預(yù)測(cè)-電刺激抑制”腦機(jī)互適應(yīng)融合機(jī)制。部分成果還實(shí)現(xiàn)了初步轉(zhuǎn)化，成功開發(fā)了若干神經(jīng)康復(fù)設(shè)備，并用于臨床試驗(yàn)。
十、肝癌肝移植新型分子分層體系研究
我國是病毒性肝炎和肝癌的高發(fā)國家，其中乙肝病毒攜帶者約9000萬，每年新發(fā)肝癌40余萬，占全球新發(fā)肝癌病例的55%，嚴(yán)重危害國民健康。肝移植是治療肝癌等終末期肝病的最有效手段。
目前國際上最常用的肝癌肝移植受者選擇標(biāo)準(zhǔn)是意大利米蘭標(biāo)準(zhǔn)。如果按照國外的標(biāo)準(zhǔn)，腫瘤直徑小于5cm才適合做移植，那么我國有許多肝癌患者將失去肝移植的機(jī)會(huì)。為建立適合我國國情的選擇標(biāo)準(zhǔn)，2008年鄭樹森院士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了肝癌肝移植杭州標(biāo)準(zhǔn)， 認(rèn)為腫瘤累計(jì)直徑小于8cm，或者腫瘤大于8cm，但只要甲胎蛋白水平小于 400ng/ml，而且腫瘤組織學(xué)分級(jí)為中、高分化者，也適合肝移植。這是國際上首個(gè)引入腫瘤生物學(xué)特征及病理學(xué)特征的受者選擇標(biāo)準(zhǔn)，被譽(yù)為是肝癌肝移植研究的“分水嶺”。2016年，鄭樹森院士團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開展了全國多中心6012例全球最大樣本的研究，發(fā)現(xiàn)杭州標(biāo)準(zhǔn)使肝癌病人增加了52%的移植機(jī)會(huì)，同時(shí)5年存活率高達(dá)72.5%，居國際領(lǐng)先水平。同時(shí)，該研究也將杭州標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步細(xì)化，實(shí)現(xiàn)了肝移植受者的精準(zhǔn)篩選和個(gè)性化治療。
該研究成果發(fā)表于消化病學(xué)頂級(jí)期刊《Gut》，引起國際移植學(xué)界的高度關(guān)注和肯定，被歐美10余家國際移植中心引用和驗(yàn)證，成為肝移植學(xué)界高度認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)。美國UCLA、克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心、日本東京大學(xué)等國際著名移植團(tuán)隊(duì)高度評(píng)價(jià)杭州標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)非常卓越的標(biāo)準(zhǔn)，第一次將腫瘤生物學(xué)特征納入肝癌肝移植標(biāo)準(zhǔn)中，優(yōu)于其它標(biāo)準(zhǔn)，為肝癌肝移植病人選擇作出重要貢獻(xiàn)。杭州標(biāo)準(zhǔn)是我國提出的首個(gè)被國際移植學(xué)界接受的醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，是我國器官移植領(lǐng)域最具有國際競(jìng)爭(zhēng)力和自主創(chuàng)新價(jià)值的科研成果，該項(xiàng)創(chuàng)新性研究作為核心標(biāo)志性成果獲得2015年度國家科技進(jìn)步創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。
