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看!創新英雄們的風采——2016年度國家科技獎獲獎項目巡禮(上)

中微子振蕩,第四代移動通信系統,非致殘性腦血管病,阿司匹林,浙江大學能源清潔,

移動互聯概念下的北京CBD全景。(人民視覺)

國家科學技術獎勵大會1月9日在北京舉行,黨中央、國務院隆重表彰了2016年度獲獎的科技工作者。

2016年度國家科技獎共評選出2名最高獎獲獎人、279個項目、5名外籍專家和1個國際組織。雖然自然科學獎、技術發明獎、科技進步獎三大獎總數進一步減少,成果卻毫不減色,既有面向國家戰略需求的重大項目,也有致力于服務經濟社會發展、改善人民生活的科技創新。經國家科技獎勵辦公室推薦,我們選取部分獲獎項目進行報道,展示創新英雄們的風采。

——編  者

國家自然科學獎一等獎“大亞灣反應堆中微子實驗發現的中微子振蕩新模式”

尋找宇宙“隱形者”

本報記者  馮華

這一次,中國的科學家跑在了世界的前面。θ13,中微子的第三種振蕩模式,當世界幾大實驗室的物理學家都在苦苦尋覓它的蹤影時,中國大亞灣中微子實驗室率先給出了確定答案。2012年3月,大亞灣中微子實驗項目負責人、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳宣布,項目組發現了第三種中微子振蕩模式,并精確測量到其振蕩概率。

這項成果在國際上引起強烈反響,當年即被美國《科學》雜志評選為2012年度十大科學突破,也被物理學界不少人評價為半個多世紀以來中國人最重要的實驗物理學成果。在2016年度國家科技獎評獎中,王貽芳團隊憑借這項成果,摘得我國自然科學領域備受矚目的獎項——自然科學獎一等獎。

對中微子的認識將揭開宇宙演變的諸多奧秘

什么是中微子?中微子是構成物質世界的基本粒子之一。目前已知構成物質世界的基本粒子共有12種,其中夸克有6種,輕子也有6種,中微子則屬于輕子,共有3種類型,在基本粒子中占了1/4席位。

在科學家的眼中,小小的中微子,在最微觀的物質世界和最宏觀的宇宙中都起著重要作用,是聯系物理學、天文學、宇宙學和天體物理學的重要紐帶,對它的認識將揭開宇宙演變的諸多奧秘。

其實,中微子就在我們身邊,每秒鐘有億萬個中微子以接近光傳播的速度穿過我們的身體。但由于中微子質量極其微小,不帶電、也幾乎不與任何物質發生作用的特點讓它極難捕捉,好像施了“隱身術”一般,無形中增加了研究的難度。

中微子還有一個極其特殊的性質,那就是中微子振蕩,即在飛行中從一種類型轉變成另一種類型。原則上三種中微子之間相互振蕩,應該有三種模式,分別為θ12、θ23、θ13。其中前兩種模式已被多個實驗證實,第三種振蕩則一直未被發現,甚至于有人懷疑θ13為零,根本不存在。

在國際競賽中率先撞線,發現中微子振蕩新模式

王貽芳盯上了θ13

2003年冬天,當時還是高能物理研究所一名普通研究員的王貽芳注意到,利用反應堆中微子來測θ13已成為國際熱點,多個外國團隊正打算進行同類實驗,一場競爭激烈的賽跑正悄然展開。

“核電站在發電時,會產生大量中微子,反應堆功率越大,釋放中微子越多,測量精度越高。”王貽芳介紹,中微子與普通物質反應的概率實在太低了,科學家寄希望于用非常多的粒子,攔在中微子流的路上,期望它們能撞上幾個,這是中微子探測的基本辦法。“我們考慮在大亞灣核電基地建實驗室,因為大亞灣核電站功率高;同時大亞灣和嶺澳兩個機組附近均有山體,在山體下建實驗室,可利用其巖石覆蓋有效屏蔽宇宙線本底對實驗結果的干擾。”

說起來容易,真正做起來卻是難上加難。經費、施工的安全性等都困擾著王貽芳團隊。最關鍵的是,在我國科研團隊爭分奪秒的同時,法國和韓國的同行也加快速度進行著同類實驗。

為了能在這場競賽中率先撞線,王貽芳和團隊成員精心設計了實驗方案。大亞灣中微子實驗工程副經理、中國科學院高能物理研究所研究員曹俊介紹,大亞灣實驗是全球實驗中唯一采用同一實驗室多模塊探測器的中微子實驗,實驗設計指標和精度國際最高。實驗誤差降低了“根號n倍”——在遠點設計安裝了4個探測器,使探測誤差降了2倍,在近點設計安裝了2個探測器,使誤差降低了1.4倍。

那么,發現了中微子振蕩的第三種模式,有什么用?

王貽芳的回答有些“高冷”:“基礎研究的重要性遠遠大于它的實用性,中微子振蕩在宇宙起源和演化中起到重要作用,是粒子物理和宇宙學研究的重點之一。”

在廣東江門,江門中微子實驗站正在緊鑼密鼓建設中。“我們測出θ13,即將測量中微子質量順序,未來的目標放在測量CP破壞上。一旦走完這條不同尋常的路,中國必將在中微子研究領域站到世界前沿。”王貽芳表示。

國家科學技術進步獎特等獎“第四代移動通信系統(TD—LTE) 關鍵技術與應用”

修好移動通信“高速路” 

本報記者  劉詩瑤

過節用微信“搶紅包”、下班打開約車軟件、在偏遠地區順暢通話……人們生活的便捷舒適,離不開移動通信技術的支撐。在2016年度國家科學技術獎勵大會上,“第四代移動通信系統(TD—LTE)關鍵技術與應用”項目榮獲國家科學技術進步獎特等獎。項目歷經10年,上萬科技人員不懈努力,突破了核心重大技術,主導了國際標準及產業,實現了我國移動通信“從邊緣到主流、從低端到高端、從跟隨到領先”的歷史性突破。

移動通信是國家關鍵基礎設施,是全球科技創新和國際競爭的必爭高地。“30年來,我國經歷了‘1G空白、2G跟隨、3G突破’的發展過程。” 項目第一完成人、中國信息通信研究院原院長曹淑敏說,我國3G雖有所突破,但技術競爭力弱、產品低端,僅在國內應用。2005年,當我國還處于3G研發產業化階段時,國際上就啟動了4G研究。在通信技術領域,如果成為不了主流,就會被逐步邊緣化。

當時,4G包括FDD和TDD兩大技術路徑。一方面,FDD是主流,由歐洲移動強國長期占據主導地位,他們認為TDD技術難度大,難以成為移動通信主流。另一方面,TDD雖處于補充地位,美國卻一直試圖搶占TDD路徑,國際競爭異常激烈。“我國3G有近10年積累,TDD有靈活使用頻譜、提高頻譜效率等潛在優勢。我們因此決定另辟蹊徑,選擇TDD作為4G戰略主攻方向。” 曹淑敏說。

整個團隊不怕辛苦、迎難而上、抓緊攻關。項目第二完成人、中國移動通信集團公司技術部總經理王曉云至今都記得,團隊開始做規模實驗測試時,為了更好地測量性能,成員們深更半夜還在室外工作,累了就蹲在馬路邊上休息,曾經有200多人在凌晨同時抱著筆記本,只為實現更精準的測試結果。

十年磨一劍,功夫不負有心人。團隊終于攻克了TDD難題,提出高速率、全覆蓋TD—LTE技術解決方案。同時,突破了芯片、終端、儀表等薄弱環節,研制出28nm五模十三頻芯片及TD—LTE全產業鏈系列高端產品。在組網創新方面,攻克了大規模組網難題,提出全場景系列化解決方案,還提出8天線信道模型及測試方法,研制出端到端測試方案及平臺……

最令人揚眉吐氣的是,團隊提出的TD—LTE技術標準在國際競爭中勝出,成為兩大4G主流國際標準之一,統一了全球TDD演進路徑。我國的創新成果牽頭國際標準項目占比達46%,提交提案2萬余篇,授權專利近3000件,專利占比是3G的3倍,扭轉了我國移動通信核心技術和知識產權受制于人的被動局面。

最令人欣喜的是,用戶得到真正的實惠。由2G平均速率的97kbps提升為4G的38Mbps,人們下載一個視頻可以從13分鐘減少為2秒。流量翻了幾番,價格卻沒有上浮,在智能交通、互聯網金融、電子政務、移動醫療等方面,用戶都感受到了提速的便利。

同樣受惠的還有產業。“項目還帶動了上下游突破,快速提升了信息產業整體創新能力。”曹淑敏說,我國4G在形成完整產業并進入高端的同時,一方面帶動上游集成電路設計、流片及封裝快速升級,終端元器件國產化率持續提升。另一方面帶動下游移動互聯應用快速創新發展。目前,我國移動APP數量超過蘋果和谷歌總和,微信等國內應用主導市場發展,形成新的移動互聯生活方式,并帶動互聯網企業實力快速提升,全球市值前十名中我國占了四席。

國家科學技術進步獎二等獎“高危非致殘性腦血管病及其防控關鍵技術與應用”

打開最后“一扇窗”

本報記者  谷業凱

腦血管病已成為我國居民死亡和成人致殘的首位病因,并且具有高復發、高致殘的特征。因此,早發現、早診斷、早治療,即“關口前移,重心下沉”的防控思想已成為腦血管病診療的基本原則。但是,怎樣做到“關口前移”,如何發現重點防控人群,這些困惑一直制約著中國腦血管病的防控效果。首都醫科大學附屬北京天壇醫院王擁軍教授領銜的項目組歷時15年,終于在這一領域取得了突破性進展。

腦血管病按發病時癥狀輕重分為致殘性和非致殘性,致殘性腦血管病損害嚴重,既往研究多集中于此;而對于癥狀較輕微、占比卻超過60%的非致殘性腦血管病,受到的關注卻比較少,而這部分人群通過有效干預可以完全恢復健康。于是,王擁軍及其團隊決定以非致殘性腦血管病為突破口,開展相關研究。

非致殘性腦血管病包括短暫性腦缺血發作和輕型卒中。據調查,我國短暫性腦缺血發作患病人數高達2390萬,其中78%為高危不穩定狀態,輕型卒中早期復發或進展為致殘性的比例甚至高達10%,有人將之比喻為腦血管病干預的最后“一扇窗”。但是這部分患者的知曉率僅3.1%,診斷率16%,規范治療率只有4.1%,腦血管病的這一潛在干預窗口被嚴重忽視。

鎖定非致殘性腦血管病以及最佳窗口人群后,項目組進而發現了非致殘性腦血管病復發風險預測與危險分層評估的重要標記物sCD40L,并建立了成熟的高危風險的評估體系。概念的提出為后續的治療技術研發打下了堅實的基礎。“提概念、找方法、改進方法,這是我們循序漸進的‘三步走’策略。”項目首席專家王擁軍表示。

阿司匹林是循證指南推薦的唯一有效的早期抗血小板藥物,但其單獨應用療效有限,即便早期應用,腦血管病復發率仍高達10%—20%。盡管國際上開展過“雙重抗血小板”(簡稱“雙抗”)的臨床研究,但均因出血風險大于獲益而宣告失敗,“雙抗”治療被國際循證醫學指南認為是腦血管病復發防治領域的“禁區”。項目組通過大數據計算,找到了避免“雙抗”使用過程中過猶不及的“甜蜜點”,開創了短程、早期、優化且中低劑量配伍的阿司匹林聯合氯吡格雷的“雙抗”治療新技術,在不增加出血的前提下,使90天復發風險降低32%,臨床獲益可長達1年,且沒有停藥后的“反跳現象”。按照我國腦血管病流行病學數據測算,該研究成果已累積減少74萬例腦血管病復發病例,累積降低醫療花費150億元,成果“一種阿司匹林與硫酸氫氯吡格雷的復方骨架緩釋片”獲得國家藥物發明專利1項,并且已進入臨床應用。

優化的“雙抗”治療方案已大大降低了高危非致殘性腦血管病患者的復發風險,但在實踐中仍有約8.2%的患者發生了早期復發。針對此部分患者,項目組采用藥物基因組學技術,發現氯吡格雷在人體內代謝與CYP2C19基因的表型顯著相關:表型為正常代謝者,氯吡格雷可良好發揮作用,“雙抗”治療獲益可額外增加20%。“精準醫學的研究成果為準確找到‘雙抗’治療最大獲益者提供了依據,也為這些患者個體化治療決策提供了重要的循證醫學證據。”王擁軍說。

項目開展之初,研發團隊還承擔了另一項重要使命——解決藥物研發的臨床評價問題,為新藥創制和藥品產業化服務。項目組設計、實施的“氯吡格雷治療急性非致殘性腦血管事件高危人群的療效研究”,解決了這一瓶頸問題,標志著我國的臨床設計達到世界領先水平。“有研究才有新方法,臨床研究改變臨床實踐。”談及臨床研究的意義,王擁軍如此評價。

國家科學技術進步獎一等獎“浙江大學能源清潔利用創新團隊”

為了讓天空“高顏值”

周煒 余建斌

浙江大學玉泉校區西面有一幢簡樸的四層小樓,后面搭著比房子還高的管道和鍋爐,常可以看到老師和學生在其間穿梭,專注地測試、記錄。這里是浙大熱能工程研究所的所在地, 由岑可法院士帶領倪明江、嚴建華、駱仲泱、樊建人組建于上世紀80年代的能源清潔利用創新團隊,30年來不斷地向產業輸送基礎研究和工程技術前沿的創新成果,支撐著我國能源環保產業的可持續發展。

前不久,浙江大學能源清潔利用創新團隊獲得了2016年度國家進步獎一等獎(創新團隊)。

針對降低燃煤電廠污染物排放的重大需求,浙大團隊確定了煤炭清潔高效發電和電力生產污染控制作為兩大主要研究方向進行破題,力爭煤炭全過程的清潔利用。

為此,科研人員開創了煤炭分級轉化清潔發電全新燃煤發電方式,實現了燃煤電廠在發電同時生產油、氣產品。團隊還解決了水煤漿流動、霧化和燃燒難題,使我國水煤漿燃燒技術領先于世界。目前,水煤漿代油燃燒技術已應用于15個省市,建成了全球最大200兆瓦水煤漿發電機組。

同時,為了實現燃煤電站燃燒污染物的深度控制,團隊解決了大型污染物脫除裝置中傳質傳熱強化,及催化劑溫度敏感、易中毒和難再生等難題,為我國電站實現大氣污染物超低排放提供了完整的技術解決方案。團隊與浙能集團合作,首次實現了燃煤電廠煙氣污染物排放優于天然氣機組排放標準,推動了我國全面實施燃煤電站污染物超低排放的升級改造。

針對我國生活垃圾和工業污泥等組分復雜、品質差的實情,團隊科學家創新了復合循環流化床燃燒、二惡英全過程控制等技術,實現了生活垃圾穩定高效燃燒和低污染排放,二惡英排放優于最嚴格的歐盟標準。這些技術應用于全國40多座生活垃圾焚燒發電廠和110多座污泥焚燒工程,并輸出韓國,國內市場占有率分別達30%和70%,扭轉了依賴進口技術的局面,被國際權威專家列為全球固體廢棄物熱處置四大主流技術之一。團隊還負責制訂了我國首部《生活垃圾流化床焚燒工程技術導則》。團隊在國內開創了流化床生物質直燃發電產業,建成生物質發電廠25座,包括國際上容量最大等級的50兆瓦生物質發電機組。

歷經近30年的發展,團隊規模從初創的10余人不斷發展壯大,目前團隊有科研人員45人,博士后和項目聘用科研人員50余人,博士研究生200余人。

“有了團隊才能做大事。”倪明江說,“為承擔重大工程技術創新任務,必須建設強大的高水平團隊。”

圍繞國家重大任務的有組織的協同創新,是團隊成員認同的科研模式。這種團隊“基因”,早在科學家們學術生涯的起步階段,就已經植入——團隊培養研究生的模式是多個導師組成導師組,合作指導學生。

“我們當年剛開始那么做時,研究生的檔案表格里導師一欄只能寫一個名字,我們當時還專門向學校說明了情況。現在,‘導師團隊’的做法,已經在全校逐步推廣了。”倪明江說。

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責任編輯: 閆月

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