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            山東省高等學校師資培訓中心

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            2016年度“中國高等學校十大科技進展”入選項目介紹

            2016年12月31日 (點擊: )

            2016年度“中國高等學校十大科技進展”入選項目介紹

            2016-12-29 來源:教育部

              一、世界首例真實穩定可控的單分子電子開關器件

              利用單分子構建電子器件對突破目前半導體器件微小化發展的瓶頸意義重大。實現可控的單分子電子開關功能是驗證分子能否作為核心組件應用到電子器件中的關鍵。自上個世紀70年代以來,設計構筑穩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,在當代納米電子學研究中具有重大的科學意義。 

              郭雪峰團隊圍繞單分子光電子學領域開展了長達9年的潛心鉆研和持續攻關。他們原創性地發展了以石墨烯為電極、通過共價鍵連接的穩定單分子器件的關鍵制備方法,解決了單分子器件制備難、穩定性差的難題。在此基礎上,通過功能導向的分子工程學成功地克服了二芳烯分子與石墨烯電極間強耦合作用的核心挑戰性問題,從而突破性地構建了一類全可逆的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子器件。這項研究工作使得在中國誕生了世界首例真實穩定可控的單分子電子開關器件。這也是幾十年來我國在分子電子學領域的科學研究第一次發表在《Science》雜志上。 

              論文于2016年6月17日發表在《Science》上,申請了發明專利。這項研究證明功能分子可以作為核心組件來構建電子回路,為將功能分子應用到實用電子器件中邁出了關鍵的一步?!禨cience》同期配發了長篇正面評述,得到了國內外同行的廣泛認可和各種媒體的亮點報道。 

              二、發現原子核手征對稱性和空間反射對稱性的聯立自發破缺

              對稱性及其破缺是基本的科學問題。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年預言,后來得到證實,引起廣泛關注。探索原子核的手征對稱性,可以獲得原子核形狀及其運動模式等信息,具有重要的科學意義。 

              北京大學孟杰教授領導的研究團隊長期致力于原子核手征對稱性研究且持續取得進展:2006年預言原子核的多重手征對稱性,激發國際相關研究,推動實驗驗證并得到證實;2011年發現手性原子核Br-80,將原子核手征對稱性研究擴展到新的核區。2016年,通過重離子熔合蒸發反應,利用在束伽瑪符合、帶電粒子符合、線性極化等實驗測量手段,在原子核Br-78中發現了宇稱相反的兩對手征雙重帶,以及表征它們之間八極關聯的電偶極躍遷,給出了手征對稱性和空間反射對稱性聯立自發破缺的證據。 

              研究結果于2016年3月發表在《物理評論快報》,并被遴選為封面文章。這是核物理領域,中國學者在該刊發表的首篇封面文章。該工作發現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立自發破缺的證據,深化了對原子核復雜結構及其表現形式的認識。 

              三、高效率高比沖磁聚焦霍爾推進技術

              2016年11月3日我國空間電推進技術取得重大進展,由哈爾濱工業大學于達仁、賈德昌教授團隊和中國航天科技集團公司第五研究院第五〇二研究所聯合研制的磁聚焦霍爾推力器HEP-100MF成功搭載長征五號運載火箭在實踐十七號衛星上進行了飛行驗證,這是世界首次磁聚焦霍爾推力器實現空間應用。 

              目前,該磁聚焦霍爾推力器已完成了包括點火、性能標定、長穩態測試及衛星系統兼容性等所有在軌考核,各項參數均滿足指標要求,其中磁聚焦與羽流發散角控制技術達到國際領先水平。 

              該團隊歷經14年,充分發揮學科交叉的創新優勢,先后突破了寬范圍磁聚焦、熱/電/磁耦合設計、放電低頻振蕩控制、低功耗高可靠空心陰極穩定放電、耐離子濺射氮化硼基特種陶瓷材料等關鍵技術,研制的磁聚焦霍爾推力器比沖比國際著名同類產品SPT-100提高20%,羽流發散角減小了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權的新型電推進技術。該成果將為我國新一代通訊衛星、遙感衛星、空間站及深空探測提供技術支撐,是國際電推進技術發展史上的一個重要里程碑。 

              四、高效鈣鈦礦發光器件研究

              照明對于人類文明的重要性不言而喻。從遠古時期的火把、中世紀的蠟燭,到近代的油燈、現代的電燈和當代的LED,人類尋找新型光源的腳步從未停歇。當前,照明消耗了全球發電量的30%以上,探索環境友好、高效節能的照明系統愈發重要。有機無機雜化鈣鈦礦材料因其優異的發光性能和可大面積低成本加工的潛力,在照明與顯示領域具有廣闊前景。 

              南京工業大學黃維院士和王建浦教授領導的創新團隊是國際上最早認識到此類材料的發光潛力,并著力制備鈣鈦礦發光二極管器件的團隊之一。2016年,他們創造性地利用溶液自組裝方法制備了多量子阱結構的鈣鈦礦發光材料。該材料不僅保持了二維鈣鈦礦成膜質量高、穩定性好的優點,而且在不同帶隙量子阱之間可發生快速的階梯能量轉移,有效克服了常溫下二維鈣鈦礦激子易猝滅的缺點。在世界上首次實現了外量子效率達11.7%的高效鈣鈦礦電致發光器件,同時器件壽命較三維鈣鈦礦器件提高了兩個數量級。 

              系列創新性研究成果相繼發表在國際頂級學術期刊上,并已申請兩項發明專利。其中,代表性成果于2016年9月26日在Nature Photonics上發表,是全球首篇鈣鈦礦發光器件外量子效率突破10%的報道,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光領域的研究開拓了新方向。 

              五、復雜電網自律-協同無功電壓自動控制系統關鍵技術及應用

              電壓是智能電網運行的核心指標。電壓問題已成為全球歷次重大停電事故的關鍵誘因,同時也是大規??稍偕茉床⒕W的一個主要障礙。復雜電網電壓控制(AVC)是世界性難題,在該領域國際權威、美國一流大學課題組研究擱淺后,美國電網轉而尋求與該項目組合作。 

              該項目歷經20余年,創造性提出了“自律+協同”的技術路線,突破了AVC從單控制中心到多控制中心、從常規電網到可再生能源電網、從中國電網到北美電網應用中的系列關鍵難題,研制出自主知識產權AVC系統,已在我國6大區電網、22個省級電網和6個千萬千瓦級風光基地應用,控制了全國56%的常規機組與37%的風/光機組,在智能電網安全經濟運行和大規??稍偕茉唇蛹{等方面取得了巨大經濟社會效益。同時,該項目突破了美國三輪嚴酷的信息安全檢查,歷時3年零4個月,解答了3千余個信息安全問題,控制了包括美國首都和東部十三個州的PJM電網,實現了美國首例AVC,是我國先進電網控制系統首次出口美國。 

              由教育部組織、六位院士領銜的鑒定委員會認為:項目是“重大的原創性科研成果,引領了電力系統電壓控制領域的發展與技術進步”、“具有里程碑意義”。美國能源部顧問、工程院院士Prof. BOSE認為該成果“使中國在電壓控制領域遙遙領先于世界”。 

              六、植物分枝激素獨腳金內酯的感知機制

              植物分枝是農業生產中的重要農藝性狀,對于植物株型和作物產量有重要影響;植物激素獨腳金內酯不僅調控植物分枝,還調節植物與共生真菌及寄生雜草的相互作用。闡明激素感知機制,是生物學領域的重大科學問題,對揭示生命現象的本質、提高生物的生存和發展能力具有重要意義。迄今發現的動植物經典激素,都遵循1880s年代以來揭示的“配體-受體”可逆識別規律:激素活性分子通過非共價鍵可逆地結合受體,循環地觸發信號傳導鏈,調控各種生命活動。 

              清華大學謝道昕、饒子和及婁智勇等合作發現了獨腳金內酯的活性分子、闡明了獨腳金內酯的受體、揭示了新型的“受體-配體”不可逆識別機制:D14蛋白作為新型激素受體,首先參與合成獨腳金內酯活性分子CLIM,然后通過共價鍵不可逆地結合CLIM、觸發信號傳導鏈、調控植物分枝,最終水解CLIM、釋放沒有活性的分子。 

              該工作于2016年8月發表在《Nature》上?!禢ature》、《Science Signaling》和《Science China Life Sciences》發表專文高度評價該工作,新發現的“受體-配體”不可逆識別機制不同于百年研究歷程所建立的“配體-受體”可逆識別機制,是生命科學領域激素研究的重大突破,具有重大科學意義。該研究可為作物株型改良和寄生雜草防治提供理論指導,具有潛在應用前景。 

              七、肌肉興奮-收縮偶聯的分子機理探索

              肌肉興奮收縮偶聯(Excitation-contraction coupling, E-C coupling)指的是肌肉接受神經信號發生收縮的過程,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,分別是位于細胞膜上的電壓門控鈣離子通道Cav和位于肌質網膜上的蘭尼堿受體RyR。Cav被細胞膜的動作電位激活,進一步誘導下游RyR的激活開放,從而引發鈣離子大量快速從肌質網釋放至細胞質,進而引起肌肉的收縮。Cav的功能異常會導致心率紊亂、癲癇等疾??;RyR的異常則會導致肌中央軸空病等疾病。因此,它們是重要的藥物靶點,其結構的解析工作具有重要的生理學和藥理學意義。 

              顏寧研究組利用前沿的單顆粒冷凍電鏡技術,在世界上首次解析了骨骼肌中RyR1和Cav1.1以及心肌中RyR2的近原子分辨率結構,這一系列突破為理解肌肉興奮收縮偶聯過程提供了關鍵的結構基礎。尤為值得一提的是,Cav1.1系首個真核電壓門控鈣離子通道的結構,此成果備受矚目,不僅為理解與多種疾病相關的電壓門控鈣離子通道和鈉離子通道的功能和機理提供了分子基礎,也為基于結構的藥物研發提供了理論指導。 

              相關成果共發表5篇高水平論文。其中Cav1.1相關工作于2015年12月18日和2016年9月8日分別在Science和Nature發表;RyR1相關工作于2015年1月1日和2016年7月29日發表在Nature和Cell Research;RyR2工作于2016年10月21日在Science發表。 

              八、亞洲季風的變化規律及其與全球氣候變化的關系

              西安交通大學全球變化研究院程海團隊在國際合作的基礎上發展了國際先進水平的鈾系質譜測量技術(包括提高 230Th和234U半衰期的精準度),在此基礎上分別建立了世界最長尺度的東亞季風(64萬年)、印度季風(28萬年)、南美季風(25萬年)和中亞?中國西部西風帶(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關系,為全球氣候變化研究提供了重要的時間標尺。特別是于2016年6月在《Nature》上以Article形式發表“64萬年以來的亞洲季風記錄與冰期終止”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系,進一步揭示了10萬年的冰期?間冰期循環是4?5個歲差周期的平均;發現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關系,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的歲差和傾角周期;結合深入解析過去64萬年以來不同幅度千年氣候事件(包括冰期終止事件)之間的內在相似性,進一步回答了“100ka problem”這一經典科學問題。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先地位做出了重要貢獻。 

              九、腦機融合的混合智能理論與方法

              當天生“弱視”的大鼠通過腦機通訊“嫁接”上機器視覺,它就如看懂了路標,在迷宮里里識別路標沿路成功找到目標物;當一只猴子想喝一口面前的飲料,它可以通過“意念”控制遠處的機械手作出抓、勾、握、捏四種手勢,完成不同的任務。這一些充滿科幻色彩的“不可能”,正在浙江大學的實驗室成為現實。 

              在國家973計劃、國家基金委重點項目等支持下,浙江大學吳朝暉、鄭筱祥教授率領的團隊圍繞腦機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——生物智能與機器智能的融合,形成了一系列突破理論與創新技術。研究團隊認為,將生物自身的感認知能力與機器的計算能力深度結合,有望產生超越現有系統的更強智能形態。這一探索在殘障康復、搶險救災、國防安保等關系到國計民生和國防安全等領域具有重大應用前景。 

              目前,團隊在國際上首次實現將計算機的聽視覺識別能力“嫁接”到生物體上,構建了聽視覺增強的大鼠機器人;在國內首例實現人意念控制機械手,完成“石頭-剪刀-布”猜拳游戲;實現了用機器智能增強大鼠自身的學習能力,回答了腦機融合是否能使生物體獲得學習增強的疑問。面對人類疾病,研究團隊還實現了動物平臺的“癲癇預測-電刺激抑制”腦機互適應融合機制。部分成果還實現了初步轉化,成功開發了若干神經康復設備,并用于臨床試驗。 

              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國家,其中乙肝病毒攜帶者約9000萬,每年新發肝癌40余萬,占全球新發肝癌病例的55%,嚴重危害國民健康。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準是意大利米蘭標準。如果按照國外的標準,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會。為建立適合我國國情的選擇標準,2008年鄭樹森院士團隊創新性地提出了肝癌肝移植杭州標準, 認為腫瘤累計直徑小于8cm,或者腫瘤大于8cm,但只要甲胎蛋白水平小于 400ng/ml,而且腫瘤組織學分級為中、高分化者,也適合肝移植。這是國際上首個引入腫瘤生物學特征及病理學特征的受者選擇標準,被譽為是肝癌肝移植研究的“分水嶺”。2016年,鄭樹森院士團隊進一步開展了全國多中心6012例全球最大樣本的研究,發現杭州標準使肝癌病人增加了52%的移植機會,同時5年存活率高達72.5%,居國際領先水平。同時,該研究也將杭州標準進一步細化,實現了肝移植受者的精準篩選和個性化治療。 

              該研究成果發表于消化病學頂級期刊《Gut》,引起國際移植學界的高度關注和肯定,被歐美10余家國際移植中心引用和驗證,成為肝移植學界高度認可的國際標準。美國UCLA、克利夫蘭醫學中心、日本東京大學等國際著名移植團隊高度評價杭州標準是一個非常卓越的標準,第一次將腫瘤生物學特征納入肝癌肝移植標準中,優于其它標準,為肝癌肝移植病人選擇作出重要貢獻。杭州標準是我國提出的首個被國際移植學界接受的醫學標準,是我國器官移植領域最具有國際競爭力和自主創新價值的科研成果,該項創新性研究作為核心標志性成果獲得2015年度國家科技進步創新團隊獎。 

             

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