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2017年度中國科學十大進展簡介

1. 實現星地千公里級量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態

“墨子號”量子科學實驗衛星由我國完全自主研制的世界上第一顆空間量子科學實驗衛星,于2016年8月16日發射升空,2017年1月18日完成在軌測試,正式交付開展科學實驗。中國科學技術大學潘建偉和彭承志研究組聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組等,創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、抗強度漲落誘騙態量子光源以及空間長壽命低噪聲單光子探測等多項國際領先的關鍵技術,利用“墨子號”在國際上率先實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發,并在此基礎上實現空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗;實現了千公里級星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態,密鑰分發速率比地面同距離光纖量子通信水平提高了20個數量級,為構建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網絡提供了可靠的技術支撐,為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。相關研究進展分別發表在2017年6月16日《科學》[Science, 356(6343):1140—1144]和2017年9月7日《自然》[Nature,549(7670):43—47]和[Nature, 549(7670):70—73]上。研究成果一經發表,隨即引起了國際學術界和新聞媒體的廣泛關注,同時也得到了國際學術界的高度評價,入選了Nature雜志點評的和美國著名科學媒體Science News評選的“2017年度重大科學事件”。“墨子號”首席科學家潘建偉教授也入選了Nature雜志評選的“2017年度改變世界的十大科學人物”,被稱之為“讓量子通信馳騁于天地之間的物理學家”。

2. 將病毒直接轉化為活疫苗及治療性藥物

流感、艾滋病和埃博拉出血熱等烈性傳染病時刻危害著人類的健康和社會穩定,其幕后“黑手”是結構和功能多樣且快速變異的病毒,而疫苗是預防病毒感染的有效手段。北京大學藥學院周德敏、張禮和研究組以流感病毒為模型,在保留病毒完整結構和感染力的情況下,僅突變病毒基因的一個三聯遺傳密碼為終止密碼,流感病毒就由致病性傳染源變為預防性疫苗,再突變多個三聯碼為終止密碼,病毒就變為治療性藥物。此類疫苗的特點是保留了野生型病毒的全部抗原、感染活力和相同的感染途徑,可以誘發人體產生強而廣的體液免疫、鼻腔黏膜免疫以及T-細胞活化免疫應答,但感染人體后復制能力缺失。這種復制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到驗證,達到廣譜、持久和高效的效果。該方法顛覆了傳統滅活/減毒疫苗的理念,前者需改變病毒抗原結構去除其毒性,只能部分激發人體免疫力,所以需要多次接種。后者需要復雜的工藝處理方能保留病毒的完整結構,但仍具有弱的復制能力和潛在的致病性,安全隱患大。該方法將是研發活病毒疫苗的一種通用方法,并可針對幾乎所有病毒。相關研究進展發表在2016年12月2日《科學》[Science, 354(6316):1170—1173]上。該研究進展是我國長期支持基礎研究、并鼓勵基礎研究進行臨床轉化的典型范例。Science雜志評述該進展為病毒疫苗領域的革命性突破,Nature雜志稱其為“馴服病毒的新方法”。

3. 首次探測到雙粲重子

歐洲核子研究中心于2017年7月6日宣布, 來自大型強子對撞機(LHC)上底夸克探測器(LHCb)國際合作組的科學家們發現了一種被稱為雙粲重子的新粒子,該粒子帶有兩個單位電荷,質量約3621兆電子伏特,幾乎是質子質量的4倍。與質子和中子類似,新發現的雙粲重子由三個夸克組成,但其夸克組分不同:質子由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子由兩個下夸克和一個上夸克組成,而雙粲重子則由兩個較重的粲夸克和一個上夸克組成。理論預期雙粲重子的內部結構迥異于之前發現的粒子,對其性質的研究將有助于人類深入理解物質的構成和強相互作用力的本質。相關研究進展發表在2017年9月11日《物理評論快報》[Physical Review Letters, 119, 112001]上。底夸克探測器國際合作組由來自16個國家的超過1000名科學家組成,清華大學、華中師范大學、中國科學院大學和武漢大學是合作組的成員單位。由清華大學高原寧領導的中國研究團隊通過與國內理論家密切合作,主導了此次雙粲重子發現的物理分析工作,對該粒子的發現做出了關鍵性貢獻。歐洲核子研究中心對雙粲重子的發現作了專門的新聞發布,受到全球媒體的競相報道。審稿人評價:“該論文給出了期待已久的重要結果——首次觀測到雙粲重子。”美國《物理》雜志同時以“倍加迷人的粒子”為題進行了專論報道,認為該發現“為科研人員提供了檢驗量子色動力學的獨特體系”。

4. 實驗發現三重簡并費米子

組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費米子。現有的理論認為宇宙中只可能存在三種類型的費米子,即狄拉克費米子、外爾費米子和馬約拉納費米子,其中狄拉克費米子具有四重簡并,外爾費米子和馬約拉納費米子具有兩重簡并,而三重簡并的費米子在宇宙中是不存在的。這三種類型的費米子也能夠以準粒子的形式存在于固體材料中,其中狄拉克費米子和外爾費米子的存在已在實驗上得到確證,馬約拉納費米子也得到一些實驗的支持。這些固體材料被通俗地稱為“固體宇宙”,與真實的宇宙相對應。與時空連續的宇宙空間不同,“固體宇宙”只滿足不連續的分立空間對稱性,這就可能出現真實宇宙中不存在的新型費米子。在“固體宇宙”中尋找新型費米子是近年來凝聚態物理領域一個挑戰性的前沿科學問題,也是該領域國際競爭的焦點之一。中國科學院物理研究所丁洪、錢天和石友國研究組與合作者,在上海光源“夢之線”和瑞士光源上利用角分辨光電子能譜實驗技術,在磷化鉬晶體中觀測到一類具有三重簡并的費米子。這是首次實驗發現超出傳統的狄拉克/外爾/馬約拉納類型的費米子。他們的實驗發現開辟了探索凝聚態體系中非傳統費米子的途徑,對促進人們認識量子物態、發現新奇物理現象、開發新型電子器件具有重要的意義。相關研究進展發表在2017年6月29日《自然》[Nature, 546(7660):627—631]上。

5. 實現氫氣的低溫制備和存儲

氫能被譽為下一代二次清潔能源,但氫氣的高效制備以及安全存儲和運輸一直以來是阻礙氫能源大規模應用的瓶頸。由于甲醇可以安全運輸,將氫氣存儲于液體甲醇中,通過水和甲醇低溫液相重整反應原位產氫,在釋放出甲醇中存儲的氫氣的同時也活化等摩爾的水而釋放出額外的氫氣,就成為氫能利用的可行途徑。這種過程裝置簡單、耗能低,容易和車載或固定聚合物電解質膜燃料電池整合,而釋放出的氫氣占重比可達18.8%。北京大學化學與分子工程學院馬丁研究組與中國科學院山西煤化研究所溫曉東以及大連理工大學石川等合作的研究表明,將鉑單原子分散在面心立方結構的碳化鉬(α-MoC)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)能夠表現出很高的產氫活性,可達每摩爾鉑每小時產氫18,046 摩爾。這種優越的制氫能力遠大于以前報道的低溫甲醇重整催化劑(高出近兩個數量級),其關鍵在于α-MoC突出的解離水的能力以及鉑和α-MoC協同活化并重整甲醇的能力。同時,該研究團隊在在水煤氣變換產氫過程(CO+H2O=CO2+H2)中也突破了低溫條件下高反應轉化率與高反應速率不能兼得的難題, 發展了基于Au/α-MoC的新一代催化過程。相關研究進展分別發表在2017年4月6日《自然》[Nature,544(7648):80—83]和2017年7月28日《科學》[Science, 357(6349):389—393]上。上述研究進展被多家科學媒體報道并高度評價,美國化學會C&E News雜志和英國皇家化學會Chemistry World雜志分別以“氫能源:制備氫燃料新過程”和“新型催化劑點亮氫能汽車未來”為題進行了亮點報道,認為“隨著此高活性催化體系的成功,把氫氣存儲于甲醇并在需要時重整釋放的概念可能得到實際應用,這是氫能儲存和輸運體系的一個重大突破”。

6. 研發出基于共格納米析出強化的新一代超高強鋼

超高強鋼在航空航天、交通運輸、先進核能以及國防裝備等國民經濟重要領域發揮支撐作用,而且也是未來輕型化結構設計和安全防護的關鍵材料。然而幾十年來高性能超高強鋼的研究始終基于傳統的半共格析出產生強共格畸變的學術思路,存在著析出相數量有限,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重影響服役安全性。此外,昂貴的制備成本也限制了其實際應用,成為困擾高端鋼鐵工業發展的難題。北京科技大學呂昭平研究組與合作者針對低成本高性能的目標,創新性提出利用高密度共格納米析出相來強韌化超高強合金的設計思想,采用輕質且便宜的鋁元素替代馬氏體時效鋼中昂貴的鈷和鈦等元素,大幅降低成本的同時通過簡單的熱處理促進極高密度、全共格納米相析出,研發出共格納米析出強化的新一代超高強鋼。他們通過調控晶格錯配度使得析出相在產生極低共格畸變的同時又具有高的有序抗力,這極大增強了合金的強度但不犧牲其延展性能。所涉及的顛覆性合金設計思想也可應用于其它結構材料的研發。相關研究進展發表在2017年4月27日在《自然》[Nature, 544(7651):460—464]上。《自然·材料》(Nature Materials)發表專門評述文章指出,該研究“以完美的超強馬氏體鋼設計思想,簡化的合金元素及析出相強化本質,為研發具有優異的強度、塑性和成本相結合的結構材料提供了新的途徑”。

7. 利用量子相變確定性制備出多粒子糾纏態

實現多粒子糾纏是量子物理實驗研究的一大追求。清華大學物理系尤力和鄭盟錕研究組,通過調控銣-87原子玻色-愛因斯坦凝聚體中的自旋混合過程,使其連續發生兩次量子相變,實現了包含約11000個原子的雙數態的確定性制備。通過直接觀測該糾纏態,他們表征其不同內態間原子數的差值的漲落低于經典極限10.7±0.6分貝,其集體自旋的歸一化長度為近似完美的0.99±0.01。這兩個指標反映該多體糾纏態可以提供超越標準量子極限約6分貝的相位測量靈敏度,以及至少910個的糾纏原子數——創造了目前能確定性制備的量子糾纏粒子數目的世界紀錄。利用量子相變確定性制備多體糾纏態是一種嶄新的嘗試。由于連續量子相變點處有限系統的能隙很小,系統穿過相變點時會產生較大的激發。他們的研究顯示即使這種激發會發生,量子相變點兩邊迥異的多體能級結構依然能夠幫助制備出高品質的多粒子糾纏態。這一全新的理解和糾纏態制備方法為未來其它多粒子糾纏態的制備提供了一種思路。另外,雙數態的確定性制備為超越標準量子極限的測量科學與技術的實用化發展,比如實現海森堡極限精度的原子鐘和原子干涉儀等提供了一種可能。相關研究進展發表在2017年2月10日《科學》[Science, 355(6318):620—623]上。

8. 中國發現新型古人類化石

長期以來,古人類學界對在中國境內發現的中更新世晚期至晚更新世早期過渡階段古人類成員的演化地位一直存在爭議。爭論的焦點是:他們是由本地的古人類連續進化而來?還是外來人群的成功入侵者?最近在河南靈井遺址發現的兩件距今10.5—12.5萬年前的古人類——許昌人的頭骨化石,為探討這一階段中國古人類的演化模式提供了重要信息。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所吳秀杰研究組與美國華盛頓大學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/項部形態)和內耳迷路(半規管)形態,呈現出演化上的區域連續性和區域間種群交流的動態變化。此外,許昌人超大的腦量(1800 cc)和纖細化的腦顱結構,又體現出中更新世人類生物學特征演化的一般趨勢。目前還無法將其歸入任何已知的古人類成員之中,許昌人可能代表一種新型的古老型人類。這項研究填補了古老型人類向早期現代人過渡階段中國古人類演化上的空白,表明晚更新世早期中國境內可能并存有多種古人類成員,不同群體之間有雜交或者基因交流。許昌人化石為中國古人類演化的地區連續性以及與歐洲古人類之間的交流提供了一定程度的支持。相關研究進展發表在2017年3月3日《科學》[Science,355(6328):969—972]上。該研究發現引起了國內外學術界和媒體的極大關注,Science、Current Biology等國際頂端學術期刊都為此發表專題評論,認為這項研究填補了古老型人類向早期現代人過渡階段東亞地區古人類演化上的空白,是中國學者在古人類研究領域取得的一項重大突破。

9. 酵母長染色體的精準定制合成

基因組設計合成是對基因組進行全新設計和從頭構建,能夠按需塑造生命,開啟從非生命物質向生命物質轉化的大門,推動生命科學研究由理解生命向創造生命延伸。然而,基因組合成面臨長染色體難以精準合成、合成染色體導致細胞失活等難題。天津大學元英進、清華大學戴俊彪、深圳華大基因楊煥明等團隊與合作者利用多級模塊化和標準化人工基因組合成方法,基于一步法大片段組裝技術和并行式染色體合成策略,實現了由小分子核苷酸到活體真核長染色體的定制合成,建立了基于多靶點片段共轉化的基因組精確修復技術和DNA大片段重復的修復技術,成功設計構建了4條釀酒酵母長染色體,實現了真核長染色體合成序列與設計序列的完全匹配;原創性地建立了基因組缺陷靶點快速定位方法,提供了表型和基因型關聯分析的新策略,通過缺陷靶點的定位與排除,解決了合成基因組導致細胞失活的難題;在此基礎上,構建了人工環形染色體,為當前無法治療的染色體成環疾病發生機理和潛在治療手段建立了研究模型。該研究為深化理解生命進化、基因組與功能關系等基礎科學問題提供了新的思路。相關研究進展以4篇論文形式發表在2017年3月10日《科學》[Science, 355(6329): eaaf4704, eaaf4706, eaaf4791,eaaf3981]上。研究成果引起國內外專家和媒體的極大關注。Science同期發表專文評論,Nature、Nature Biotechnology、Nature Reviews Genetics、Molecular Cell等多個頂級期刊均發表專文或亮點介紹,高度評價本工作,認為這是第一個全合成真核生物基因組的重要里程碑。

10. 研制出可實現自由狀態腦成像的微型顯微成像系統

北京大學生物膜與膜生物工程國家重點實驗室程和平及陳良怡研究組與電子工程與計算機科學學院張云峰和王愛民等合作,運用微集成、微光學、超快光纖激光和半導體光電子學等技術,在高時空分辨在體成像系統研制方面取得突破性技術革新,成功研制出2.2克微型化佩戴式雙光子熒光顯微鏡,在國際上首次記錄了懸尾、跳臺、社交等自然行為條件下,小鼠大腦神經元和神經突觸活動的高速高分辨圖像。此項突破性技術將開拓新的研究范式,在動物自然行為條件下,實現對神經突觸、神經元、神經網絡、多腦區等多尺度、多層次動態信息處理的長時程觀察,這樣不僅可以“看得見”大腦學習、記憶、決策、思維的過程,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機制發揮重要作用。相關研究進展發表在2017年7月《自然·方法學》[Nature Methods, 14(7):713—719]上。該成像系統被2014年諾貝爾生理學或醫學獎得主Edvard I. Moser稱之為研究大腦的空間定位神經系統的革命性新工具。

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責任編輯: 范琪

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