2016年度＂中国高等学校十大科技进展＂入选项目名单揭晓

利用单分子构建电子器件对突破目前半导体器件微小化发展的瓶颈意义重大。实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键。自上个世纪70年代以来，设计构筑稳定可控的单分子器件，探索其与微电子工艺的兼容性，并获得真正意义上的分子电子开关，在当代纳米电子学研究中具有重大的科学意义。郭雪峰团队围绕单分子光电子学领域开展了长达9年的潜心钻研和持续攻关。他们原创性地发展了以石墨烯为电极、通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法，解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题。在此基础上，通过功能导向的分子工程学成功地克服了二芳烯分子与石墨烯电极间强耦合作用的核心挑战性问题，从而突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。这项研究工作使得在中国诞生了世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件。这也是几十年来我国在分子电子学领域的科学研究第一次发表在《Science》杂志上。论文于2016年6月17日发表在《Science》上，申请了发明专利。这项研究证明功能分子可以作为核心组件来构建电子回路，为将功能分子应用到实用电子器件中迈出了关键的一步。《Science》同期配发了长篇正面评述，得到了国内外同行的广泛认可和各种媒体的亮点报道。二、发现原子核手征对称性和空间反射对称性的联立自发破缺对称性及其破缺是基本的科学问题。手征对称性（又称手性）在自然界中广泛存在，如左右手、海螺壳、某些化学和药物分子等都有手性。原子核层次的手征对称性由孟杰及其合作者于1997年预言，后来得到证实，引起广泛关注。探索原子核的手征对称性，可以获得原子核形状及其运动模式等信息，具有重要的科学意义。北京大学孟杰教授领导的研究团队长期致力于原子核手征对称性研究且持续取得进展：2006年预言原子核的多重手征对称性，激发国际相关研究，推动实验验证并得到证实；2011年发现手性原子核Br-80，将原子核手征对称性研究扩展到新的核区。2016年，通过重离子熔合蒸发反应，利用在束伽玛符合、带电粒子符合、线性极化等实验测量手段，在原子核Br-78中发现了宇称相反的两对手征双重带，以及表征它们之间八极关联的电偶极跃迁，给出了手征对称性和空间反射对称性联立自发破缺的证据。研究结果于2016年3月发表在《物理评论快报》，并被遴选为封面文章。这是核物理领域，中国学者在该刊发表的首篇封面文章。该工作发现了目前最轻的手性原子核Br-78，以及手征对称性和空间反射对称性联立自发破缺的证据，深化了对原子核复杂结构及其表现形式的认识。三、高效率高比冲磁聚焦霍尔推进技术2016年11月3日我国空间电推进技术取得重大进展，由哈尔滨工业大学于达仁、贾德昌教授团队和中国航天科技集团公司第五研究院第五〇二研究所联合研制的磁聚焦霍尔推力器HEP-100MF成功搭载长征五号运载火箭在实践十七号卫星上进行了飞行验证，这是世界首次磁聚焦霍尔推力器实现空间应用。目前，该磁聚焦霍尔推力器已完成了包括点火、性能标定、长稳态测试及卫星系统兼容性等所有在轨考核，各项参数均满足指标要求，其中磁聚焦与羽流发散角控制技术达到国际领先水平。该团队历经14年，充分发挥学科交叉的创新优势，先后突破了宽范围磁聚焦、热/电/磁耦合设计、放电低频振荡控制、低功耗高可靠空心阴极稳定放电、耐离子溅射氮化硼基特种陶瓷材料等关键技术，研制的磁聚焦霍尔推力器比冲比国际著名同类产品SPT-100提高20%，羽流发散角减小了60%，大幅降低了推力器燃料消耗，并显著降低了羽流对航天器的影响，为我国新一代长寿命航天平台提供了具有自主知识产权的新型电推进技术。该成果将为我国新一代通讯卫星、遥感卫星、空间站及深空探测提供技术支撑，是国际电推进技术发展史上的一个重要里程碑。四、高效钙钛矿发光器件研究照明对于人类文明的重要性不言而喻。从远古时期的火把、中世纪的蜡烛，到近代的油灯、现代的电灯和当代的LED，人类寻找新型光源的脚步从未停歇。当前，照明消耗了全球发电量的30%以上，探索环境友好、高效节能的照明系统愈发重要。有机无机杂化钙钛矿材料因其优异的发光性能和可大面积低成本加工的潜力，在照明与显示领域具有广阔前景。南京工业大学黄维院士和王建浦教授领导的创新团队是国际上最早认识到此类材料的发光潜力，并着力制备钙钛矿发光二极管器件的团队之一。2016年，他们创造性地利用溶液自组装方法制备了多量子阱结构的钙钛矿发光材料。该材料不仅保持了二维钙钛矿成膜质量高、稳定性好的优点，而且在不同带隙量子阱之间可发生快速的阶梯能量转移，有效克服了常温下二维钙钛矿激子易猝灭的缺点。在世界上首次实现了外量子效率达11.7%的高效钙钛矿电致发光器件，同时器件寿命较三维钙钛矿器件提高了两个数量级。系列创新性研究成果相继发表在国际顶级学术期刊上，并已申请两项发明专利。其中，代表性成果于2016年9月26日在NaturePhotonics上发表，是全球首篇钙钛矿发光器件外量子效率突破10%的报道，也是目前此类器件的世界最高效率，为钙钛矿材料及其在发光领域的研究开拓了新方向。五、复杂电网自律-协同无功电压自动控制系统关键技术及应用电压是智能电网运行的核心指标。电压问题已成为全球历次重大停电事故的关键诱因，同时也是大规模可再生能源并网的一个主要障碍。复杂电网电压控制(AVC)是世界性难题，在该领域国际权威、美国一流大学课题组研究搁浅后，美国电网转而寻求与该项目组合作。该项目历经20余年，创造性提出了“自律+协同”的技术路线，突破了AVC从单控制中心到多控制中心、从常规电网到可再生能源电网、从中国电网到北美电网应用中的系列关键难题，研制出自主知识产权AVC系统，已在我国6大区电网、22个省级电网和6个千万千瓦级风光基地应用，控制了全国56%的常规机组与37%的风/光机组，在智能电网安全经济运行和大规模可再生能源接纳等方面取得了巨大经济社会效益。同时，该项目突破了美国三轮严酷的信息安全检查，历时3年零4个月，解答了3千余个信息安全问题，控制了包括美国首都和东部十三个州的PJM电网，实现了美国首例AVC，是我国先进电网控制系统首次出口美国。由教育部组织、六位院士领衔的鉴定委员会认为：项目是“重大的原创性科研成果，引领了电力系统电压控制领域的发展与技术进步”、“具有里程碑意义”。美国能源部顾问、工程院院士Prof.BOSE认为该成果“使中国在电压控制领域遥遥领先于世界”。六、植物分枝激素独脚金内酯的感知机制植物分枝是农业生产中的重要农艺性状，对于植物株型和作物产量有重要影响；植物激素独脚金内酯不仅调控植物分枝，还调节植物与共生真菌及寄生杂草的相互作用。阐明激素感知机制，是生物学领域的重大科学问题，对揭示生命现象的本质、提高生物的生存和发展能力具有重要意义。迄今发现的动植物经典激素，都遵循1880s年代以来揭示的“配体-受体”可逆识别规律：激素活性分子通过非共价键可逆地结合受体，循环地触发信号传导链，调控各种生命活动。清华大学谢道昕、饶子和及娄智勇等合作发现了独脚金内酯的活性分子、阐明了独脚金内酯的受体、揭示了新型的“受体-配体”不可逆识别机制：D14蛋白作为新型激素受体，首先参与合成独脚金内酯活性分子CLIM，然后通过共价键不可逆地结合CLIM、触发信号传导链、调控植物分枝，最终水解CLIM、释放没有活性的分子。该工作于2016年8月发表在《Nature》上。《Nature》、《ScienceSignaling》和《ScienceChinaLifeSciences》发表专文高度评价该工作，新发现的“受体-配体”不可逆识别机制不同于百年研究历程所建立的“配体-受体”可逆识别机制，是生命科学领域激素研究的重大突破，具有重大科学意义。该研究可为作物株型改良和寄生杂草防治提供理论指导，具有潜在应用前景。七、肌肉兴奋-收缩偶联的分子机理探索肌肉兴奋收缩偶联(Excitation-contractioncoupling,E-Ccoupling)指的是肌肉接受神经信号发生收缩的过程，是动物最基本的生理过程之一。该过程涉及到两类重要的钙离子通道，分别是位于细胞膜上的电压门控钙离子通道Cav和位于肌质网膜上的兰尼碱受体RyR。Cav被细胞膜的动作电位激活，进一步诱导下游RyR的激活开放，从而引发钙离子大量快速从肌质网释放至细胞质，进而引起肌肉的收缩。Cav的功能异常会导致心率紊乱、癫痫等疾病；RyR的异常则会导致肌中央轴空病等疾病。因此，它们是重要的药物靶点，其结构的解析工作具有重要的生理学和药理学意义。颜宁研究组利用前沿的单颗粒冷冻电镜技术，在世界上首次解析了骨骼肌中RyR1和Cav1.1以及心肌中RyR2的近原子分辨率结构，这一系列突破为理解肌肉兴奋收缩偶联过程提供了关键的结构基础。尤为值得一提的是，Cav1.1系首个真核电压门控钙离子通道的结构，此成果备受瞩目，不仅为理解与多种疾病相关的电压门控钙离子通道和钠离子通道的功能和机理提供了分子基础，也为基于结构的药物研发提供了理论指导。相关成果共发表5篇高水平论文。其中Cav1.1相关工作于2015年12月18日和2016年9月8日分别在Science和Nature发表；RyR1相关工作于2015年1月1日和2016年7月29日发表在Nature和CellResearch；RyR2工作于2016年10月21日在Science发表。八、亚洲季风的变化规律及其与全球气候变化的关系西安交通大学全球变化研究院程海团队在国际合作的基础上发展了国际先进水平的铀系质谱测量技术（包括提高230Th和234U半衰期的精准度），在此基础上分别建立了世界最长尺度的东亚季风（64万年）、印度季风（28万年）、南美季风（25万年）和中亚?中国西部西风带（13.5和50万年）的高精度高分辨率石笋同位素记录、及其与全球气候变化之间的相关关系，为全球气候变化研究提供了重要的时间标尺。特别是于2016年6月在《Nature》上以Article形式发表“64万年以来的亚洲季风记录与冰期终止”的论文，通过建立具有精确的绝对年代控制的石笋同位素记录、及其与海洋和冰芯记录的对比关系，进一步揭示了10万年的冰期?间冰期循环是4?5个岁差周期的平均；发现去除太阳辐射影响后的亚轨道尺度石笋气候变化序列与去趋势后的南极温度记录呈精致的反相关关系，并且两者的亚轨道尺度变化都具有比地球偏心率周期更强的岁差和倾角周期；结合深入解析过去64万年以来不同幅度千年气候事件（包括冰期终止事件）之间的内在相似性，进一步回答了“100kaproblem”这一经典科学问题。从一定意义上讲，上述工作为洞穴沉积成为古气候变化研究领域的‘第四大支柱’、以及我国石笋古气候研究在国际上取得领先地位做出了重要贡献。九、脑机融合的混合智能理论与方法当天生“弱视”的大鼠通过脑机通讯“嫁接”上机器视觉，它就如看懂了路标，在迷宫里里识别路标沿路成功找到目标物；当一只猴子想喝一口面前的饮料，它可以通过“意念”控制远处的机械手作出抓、勾、握、捏四种手势，完成不同的任务。这一些充满科幻色彩的“不可能”，正在浙江大学的实验室成为现实。在国家973计划、国家基金委重点项目等支持下，浙江大学吴朝晖、郑筱祥教授率领的团队围绕脑机融合问题潜心研究十余年，在国际上率先提出“混合智能”的研究范式——生物智能与机器智能的融合，形成了一系列突破理论与创新技术。研究团队认为，将生物自身的感认知能力与机器的计算能力深度结合，有望产生超越现有系统的更强智能形态。这一探索在残障康复、抢险救灾、国防安保等关系到国计民生和国防安全等领域具有重大应用前景。目前，团队在国际上首次实现将计算机的听视觉识别能力“嫁接”到生物体上，构建了听视觉增强的大鼠机器人；在国内首例实现人意念控制机械手，完成“石头-剪刀-布”猜拳游戏；实现了用机器智能增强大鼠自身的学习能力，回答了脑机融合是否能使生物体获得学习增强的疑问。面对人类疾病，研究团队还实现了动物平台的“癫痫预测-电刺激抑制”脑机互适应融合机制。部分成果还实现了初步转化，成功开发了若干神经康复设备，并用于临床试验。十、肝癌肝移植新型分子分层体系研究我国是病毒性肝炎和肝癌的高发国家，其中乙肝病毒携带者约9000万，每年新发肝癌40余万，占全球新发肝癌病例的55%，严重危害国民健康。肝移植是治疗肝癌等终末期肝病的最有效手段。目前国际上最常用的肝癌肝移植受者选择标准是意大利米兰标准。如果按照国外的标准，肿瘤直径小于5cm才适合做移植，那么我国有许多肝癌患者将失去肝移植的机会。为建立适合我国国情的选择标准，2008年郑树森院士团队创新性地提出了肝癌肝移植杭州标准，认为肿瘤累计直径小于8cm，或者肿瘤大于8cm，但只要甲胎蛋白水平小于400ng/ml，而且肿瘤组织学分级为中、高分化者，也适合肝移植。这是国际上首个引入肿瘤生物学特征及病理学特征的受者选择标准，被誉为是肝癌肝移植研究的“分水岭”。2016年，郑树森院士团队进一步开展了全国多中心6012例全球最大样本的研究，发现杭州标准使肝癌病人增加了52%的移植机会，同时5年存活率高达72.5％，居国际领先水平。同时，该研究也将杭州标准进一步细化，实现了肝移植受者的精准筛选和个性化治疗。该研究成果发表于消化病学顶级期刊《Gut》，引起国际移植学界的高度关注和肯定，被欧美10余家国际移植中心引用和验证，成为肝移植学界高度认可的国际标准。美国UCLA、克利夫兰医学中心、日本东京大学等国际著名移植团队高度评价杭州标准是一个非常卓越的标准，第一次将肿瘤生物学特征纳入肝癌肝移植标准中，优于其它标准，为肝癌肝移植病人选择作出重要贡献。杭州标准是我国提出的首个被国际移植学界接受的医学标准，是我国器官移植领域最具有国际竞争力和自主创新价值的科研成果，该项创新性研究作为核心标志性成果获得2015年度国家科技进步创新团队奖。 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