人民网北京1月15日电中科院今天上午召开发布会,公布了该院“十二五”期间25项具有代表性的通用领域重大科技成果及标志性进展。

本报北京1月15日电(记者
齐芳)1月15日,中科院院长白春礼发布了中科院在“十二五”期间取得的25项重大科技成果及标志性进展。

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中科院院长白春礼表示,在面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场等方面,中科院取得了一批有重要国际影响力的基础前沿研究成果,实现一批关键核心技术突破,提供了一批系统解决方案,大力推动科技成果应用转化产生重大经济社会效益。

这25项成果包括:拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应研究,细胞编程与重编程的机制,量子通信,以粲物理、中微子物理为代表的粒子物理研究,液流储能关键材料与新技术,同余数问题与Langlands纲领问题研究,深紫外晶体器件、激光光源及应用,纳米绿色打印制版技术,真核膜蛋白和蛋白质复合体结构与功能关系,突破钍基核能系统关键技术,神经疾病靶点研究,G蛋白偶联受体(GPCR)药靶研究取得重大进展,大型蒸发冷却水轮发电机,高温超导与纳米材料,分子反应基础与器件,工程金属材料的结构纳米化科学与技术,植物碳氮代谢和性状改良,生物灾害爆发机制与控制,环境污染的健康效应与调控,空间科学先导专项,40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究,甲醇制取低碳烯烃(DMTO)技术,中国生态系统研究网络的创建及其观测研究和试验示范,上海光源国家重大科学工程,超导托卡马克创新研究。

出品:新浪科技《科学大家》

中科院发展规划局局长潘教峰介绍,这25项成果是由各研究所、院机关,以及院内外高水平同行、用户等专家共同遴选出来的,“具有典型性和标杆示范性,总体上代表了中科院‘十二五’的研究质量和水平。”

此外,“十二五”期间,中科院在推动和服务经济社会发展方面取得了显著成效,通过科技成果转移转化使社会企业新增销售收入超过1.5万亿元,利税超过2200亿元。

撰文:王贻芳
粒子物理学家,中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长、研究员、博士生导师

这25项科技成果是:

来源:光明日报

中微子在我们周围无处不在,从宇宙大爆炸到我们身处的地球、太阳等等,都有中微子。其实我们每一个人本身也是中微子源,每一个人每天会发射出三亿四千万个中微子。

1、拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应研究,牵头研究单位是物理研究所

中微子在整个物理学当中起着非常重要的作用,在构成物质世界的12个最基本的粒子当中,中微子占了其中的三种,所以说中微子是构成物质世界最基本的单元,我们需要把它研究清楚。

首次通过理论计算预言了可在室温下存在的三维强拓扑绝缘体,并和清华大学物理系合作攻关,首次成功观测到“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破,从理论研究到实验观测的全过程,都是由我国科学家独立完成。

但是非常不幸,我们对中微子的了解非常少,到现在为止我们甚至连中微子质量到底是多少都不清楚,我们只能确定中微子有一点点质量。中微子在宇宙当中数量非常多,在整个宇宙当中大约每立方厘米有300个,所以中微子如果有一点点质量,它对我们整个宇宙的起源、演化、宇宙大结构的形成都会起非常重要的作用。

2、细胞编程与重编程的机制,牵头研究单位是动物研究所

在大爆炸的早期,宇宙是非常均匀的,有一点点所谓的质量密度涨落,才能形成宇宙大的结构,宇宙大的结构形成以后,才会有银河系、太阳、地球,以及人类。

揭示RNA甲基化对细胞重编程的调控作用机制;首次通过单倍体胚胎干细胞获得转基因动物;建立再生医学相关动物模型与细胞模型;获得标准化、规模化的治疗用种子细胞,并开展细胞治疗的临床前安全性、有效性评估。

所以,人类能否存在跟中微子质量到底是多少有很大关系。如果中微子质量为零,那么,这个世界上、宇宙里面,就不会有一个有密度涨落的结构,没有这样的一个结构,自然银河系和人类就不会存在。

3、量子通信,牵头研究单位是中国科学技术大学

中微子研究史

系统地发展了光量子操纵技术,创新性地应用于量子信息处理领域多个研究方向,推动量子通信朝着高速率、远距离、网络化方向快速发展,取得一系列原创成果,多次入选国际物理学重大进展,获得2015年度国家自然科学一等奖,量子通信已成为我国具有世界领先水平的尖端技术。

中微子是1930年由著名科学家泡利提出来的,为了解决在微观世界中能量和动量不守恒的问题。科学家在实验当中发现能量动量不守恒,泡利解释说因为有中微子这种基本无法探测粒子的存在,使得最后你看到的好像是不守恒,但其实是守恒的。

4、以粲物理、中微子物理为代表的粒子物理研究,牵头研究单位是高能物理研究所

费雷德里克·莱因斯,来源:维基百科

利用北京谱仪BESIII实验观测到带电Zc信号,揭示其中至少含有四个夸克,可能是科学家们长期寻找的一种奇特粒子,在国际上引起很大反响。Zc位列美国物理学会评选出的2013年国际重大物理成果榜首。2014年又发现另一个带电的新共振结构Zc。

过了26年后,1956年,美国物理学家费雷德里克·莱因斯和克莱德·科万在实验上发现了中微子,莱茵斯因此得到了1995年的诺贝尔奖。

大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡模式,精确测量了振荡振幅,被认为是“中微子物理的一个里程碑”。该结果入选美国《科学》杂志评选的2012年全球十大科学突破。之后完成中微子质量平方差的测量、更高精度的θ13分析、惰性中微子分析。

1962年,科学家发现其实不只有一种中微子,还有两种中微子。其实在第二种中微子发现之前,有一位科学家就建议中微子和反中微子可能发生振荡,从一种中微子变成另外一种中微子。

5、液流储能关键材料与新技术,牵头研究单位是大连化学物理研究所

图注:超级神冈探测器内部。墙壁上为光电倍增管,每个直径半米。工作人员划着小船检修探测器。来源:超级神冈国际合作组

储能技术解决了可再生能源发电不连续、不稳定的瓶颈。大化所研发的全钒液流电池储能技术寿命长、储能规模大、安全可靠、环境友好,且已解决了关键材料、电堆和储能系统集成等关键问题。实现了从基础研究到产业化应用,形成了完整产业链。

有两种中微子以后,大家修正了这个想法,就是电子中微子和缪子中微子也可以发生振荡。又过了40年,在1998年,日本科学家发现在大气中微子当中,可以有中微子的振荡,这就是非常著名的日本超级神冈实验。

6、同余数问题与Langlands纲领问题研究,牵头研究单位是数学与系统科学研究院

到了2002年的时候,加拿大的SNO实验发现太阳中微子也可以振荡。这两个实验由于发现中微子振荡而获得了诺贝尔奖。

数论研究取得重要成果。在“千年数论难题”同余数问题研究上,证明了对任意给定K,均存在无穷多个本质素因子个数恰为K的同余数,有国际同行认为:“此项工作是这个数论最古老问题的里程碑”。在21世纪最重大的数学难题之一Langlands纲领研究方面,彻底解决了theta对应理论三个基本问题及典型群重数一猜想。

截止2002年,我们看到有两种中微子振荡,但从物理上来说,三种中微子应该是有三种振荡,所以当时的问题就是另外一个中微子振荡模式,我们把它叫做θ13,从物理上来说其实有很多所谓的对称性的希望,说这个θ13也是可以为零的,作为物理学家,我们就希望知道这到底是为零还是不为零。

7、深紫外晶体器件、激光光源及应用,牵头研究单位是理化技术研究所

我们在2003年提出实验规划,到2012年得到了结果,结果告诉我们,中微子真的是有第三种振荡模式,这个振荡不为零。

在世界上率先突破非线性光学晶体KBBF大尺寸生长技术和精密化、实用化深紫外全固态激光技术,以此为核心研制出8种国际首创的科学仪器,创新了该波段前沿研究的运转模式,是我国自主研发高精尖仪器的成功范例。

为什么要进行江门中微子实验

8、纳米绿色打印制版技术,牵头研究单位是化学研究所

JUNO实验规划图 来源:中科院高能物理研究所

从源头解决印刷制版过程的感光废液、版基电解氧化的电解废液、溶剂型油墨的VOC排放等三大污染问题,形成包括纳米绿色版基、绿色制版和绿色油墨的完整绿色印刷产业链技术,被誉为可与汉字激光照排相比的重大技术突破。成果已应用于印刷电子、3D制造等战略新兴产业及绿色印染、建材等重要产业领域。

目前,我们正在推动的一个新实验叫江门中微子实验。江门中微子实验是我们在2008年大亚湾实验完成之前就已提出来的。它是为了研究中微子的质量顺序、精确测量中微子的振荡参数、天体中微子。

9、真核膜蛋白和蛋白质复合体结构与功能关系,牵头研究单位是生物物理研究所

同时,我们也希望寻找一种完全新的衰变,叫无中微子双β衰变,确定反中微子是否就是中微子自己本身,在粒子物理学当中,这是一个非常重要的研究目标。

解析了染色质双螺旋高清晰三维结构,是目前最有挑战性的结构之一;阐明细菌内毒素转运与组装机理,为研发攻克“超级细菌”的新型抗生素铺平了道路;揭示了手足口病病毒、甲型肝炎病毒的结构及感染的分子机制,为新型药物和疫苗研发提供了结构基础和研发方向。

为了实现这个目标,我们需要建设一个大探测器,需要2万吨的液体闪烁体。上文提到的大亚湾实验里面液体闪烁体只有20吨,所以这里面差了将近1000倍。2万吨的探测器比目前世界上最大的液体闪烁探测器还要大20倍。

10、突破钍基核能系统关键技术,牵头研究单位是上海应用物理研究所

江门中微子实验探测器示意图 来源:中科院高能物理研究所

TMSR专项在原型系统与关键技术研发上“从无到有”实现全面突破,完成10MW固态燃料熔盐实验堆工程初步设计并获得国家核安全局Ⅱ类实验堆批复,实现关键新材料中试规模制备,为建设世界首座实验堆奠定了坚实的科学技术基础。

同时,需要把探测器的光收集提高5倍,这比之前有了巨大提升。为此我们要把探测器液体的透明度提高将近2倍,还有一个非常重要的技术要求就是要把我们探测光子的设备,光电倍增管的探测效率提高2倍,也就是和过去在超级神冈实验中用到日本滨松公司生产的光电倍增管的探测效率要提高2倍。

11、神经疾病靶点研究,牵头研究单位是上海生命科学研究院

所有的技术要求加起来,产生一个巨大的问题:我们能不能做,或者世界上是不是真的有人能够做这个事情?事实上,在我们提出这个方案的时候,国际上有很多怀疑,认为这样的实验做不出来。

构建了有自闭症表型的转基因猕猴模型,为进一步研究脑疾病提供了非人灵长类动物模型。发现多巴胺受体在抑制神经炎症中的关键作用,为选择合适靶点,有效延缓脑衰老乃至干预神经退行性疾病提供了有价值的信息,为脑疾病防诊治提供重要理论基础。

回顾一下这样类似的实验,成功因素主要是什么?虽然设计思想、方案执行、国际合作等因素都很重要,但是我们认为突破关键技术的能力,在所有因素当中应该是最重要的。关键技术需要长期的积累,并不是你想做就一定能够做出来。

12、G蛋白偶联受体药靶研究取得重大进展,牵头研究单位是上海药物研究所

所以发展关键技术、积累关键技术,在基础研究中起了一个非常核心关键的作用。

GPCR是最重要的药物靶标蛋白家族。研究人员建立国际一流水平的GPCR结构与功能研究平台,实现我国GPCR晶体结构测定零的突破。攻克细胞信号传导领域的多个科学难题,在靶向GPCR的药物研发方面已有3个先导化合物进入临床前研究,并实施技术转让。

第一个,液体闪烁体。当时国际上有很多类似的实验,之前的失败很多,所以发展出自己的液体闪烁体技术是我们大亚湾实验最重要的要求,非常幸运我们当时做成了。

13、大型蒸发冷却水轮发电机,牵头研究单位是电工研究所

第二个,光电倍增管。当时我们是从日本滨松公司买的,买了大概2000多个。

该项目是我国自主创新的蒸发冷却技术首次成功应用于世界最大容量等级的大型水轮发电机,标志着我国大型电力装备研发处于国际领先地位。运行4年多经济效益明显,研究成果为国际首创,技术内涵属原创性,是冷却技术的重大突破。

20吋光电倍增管关系着实验成功与否

14、高温超导与纳米材料,牵头研究单位是中国科学技术大学

所以在江门中微子实验的时候,我们自然还是要问这个问题,这些关键技术我们到底有还是没有。

首次突破麦克米兰极限,证实了铁基超导体是一类新的非常规高温超导体。同时,在纳米结构单元的可控合成方法学、组装及宏量制备及器件特性研究等方面取得系列突破性进展。

第一个液体闪烁体因为我们有了过去大亚湾实验的基础,所以我们认为应该是没有问题的。

15、分子反应基础与器件,牵头研究单位是化学研究所

第二个光电倍增管,如果从滨松公司买的话指标差2倍,不够,另外,价钱也是我们不能承受的,大概是我们能够承受价格的2倍以上。

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