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)域開展了長達(dá)9年的潛心鉆研和持續(xù)攻關(guān)。他們原創(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)了長篇正面評述，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)原子核手征對稱性和空間反射對稱性的聯(lián)立自發(fā)破缺
對稱性及其破缺是基本的科學(xué)問題。手征對稱性(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稱性，可以獲得原子核形狀及其運(yùn)動模式等信息，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)長期致力于原子核手征對稱性研究且持續(xù)取得進(jìn)展：2006年預(yù)言原子核的多重手征對稱性，激發(fā)國際相關(guān)研究，推動實(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)測量手段，在原子核Br-78中發(fā)現(xiàn)了宇稱相反的兩對手征雙重帶，以及表征它們之間八極關(guān)聯(lián)的電偶極躍遷，給出了手征對稱性和空間反射對稱性聯(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，以及手征對稱性和空間反射對稱性聯(lián)立自發(fā)破缺的證據(jù)，深化了對原子核復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其表現(xiàn)形式的認(rèn)識。
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成功搭載長征五號運(yùn)載火箭在實(shí)踐十七號衛(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、長穩(wěn)態(tài)測試及衛(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，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航天器的影響，為我國新一代長壽命航天平臺提供了具有自主知識產(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。
系列創(chuàng)新性研究成果相繼發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊上，并已申請兩項(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)。電壓問題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，研制出自主知識產(chǎn)權(quán)AVC系統(tǒng)，已在我國6大區(qū)電網(wǎng)、22個(gè)省級電網(wǎng)和6個(gè)千萬千瓦級風(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)模可再生能源接納等方面取得了巨大經(jīng)濟(jì)社會效益。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)信號傳導(dǎo)鏈，調(diào)控各種生命活動。
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)表專文高度評價(jià)該工作，新發(fā)現(xiàn)的“受體-配體”不可逆識別機(jī)制不同于百年研究歷程所建立的“配體-受體”可逆識別機(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)信號發(fā)生收縮的過程，是動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的功能異常會導(dǎo)致心率紊亂、癲癇等疾病;RyR的異常則會導(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年代控制的石筍同位素記錄、及其與海洋和冰芯記錄的對比關(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，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。面對人類疾病，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了動物平臺的“癲癇預(yù)測-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。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，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)域最具有國際競爭力和自主創(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)。
