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2014年度"中国高等学校十大科技进展"入选项目

2014年12月24日   审核人:

一、单个纳米颗粒光学检测新原理研究

纳米尺度颗粒的快速检测在环境监测、恶性肿瘤早期筛查和国家安全方面具有十分重要的意义。基于微纳光学的传感技术拥有无标记和抗电磁干扰等优势,为上述应用提供了新的机遇,但在快速探测和超高灵敏度方面仍面临挑战。为此,急需提出新的光学传感原理,突破传统检测极限,获得分辨单个纳米级颗粒的检测能力。北京大学龚旗煌院士和肖云峰研究员等制备出超高品质因子固态光学微腔器件,极大地增强了光与物质的相互作用,并实现超低阈值微腔拉曼激光发射。在此基础上,他们提出利用微腔拉曼激光模式劈裂来检测单纳米尺度颗粒的新方法。实验上,他们在液体环境下证明了新方法检测单个20纳米尺度颗粒的能力。这一方法的实现既可显著降低实验难度,又具有良好的抗噪声能力。同时,他们还与浙江大学童利民教授等合作,研制出纳米光纤阵列传感器,可快速检测单个百纳米尺度颗粒,并测定尺寸。这些新的原理和技术将推进光学传感的检测极限达到单分子水平,并具有实时便捷等优势。  

研究成果分别发表在《美国科学院院刊》和《先进材料》(封面文章)上。工作得到国际学术界的重视,被多家国际科技媒体专题图文报道,并引起了大众媒体的关注。  

二、网构软件理论、方法与技术

互联网正在逐步演化成一个全球泛在的计算平台,其开放、动态和难控的特性对软件技术提出了一系列重大挑战。以北京大学梅宏院士和南京大学吕建院士领衔的团队从2000年开始率先从软件角度探讨互联网计算,提出一种互联网软件新范型——网构软件,并在国家973计划连续两期项目的支持下,建立了一套网构软件技术体系,取得一系列重要突破:构造了一个开放、协同的网构软件模型,用以描述和规约自主性、协同性、演化性、情境性、涌现性和可信性等互联网应用新特性;提出了支持按需协同和在线演化的容器系统结构及相关机制,支持系统自治管理,设计实现了网构软件的运行时支撑平台;提出了全生命期软件体系结构驱动的网构软件开发和演化方法。  

作为中国学者自主提出的学术理念,网构软件研究整体处于国际先进水平,在软件构件、软件体系结构、软件自适应等技术上处于国际领先行列。在软件领域顶级国际会议和期刊发表近百篇学术论文,十多次入选最佳/优秀/亮点论文,数十次在国际会议上做主题/特邀报告;获得一批中国发明专利,形成多项国际、国家和行业标准;研制的工具和系统在国内外众多大中型信息系统中得到应用;多次获得国家和部委级科技成果奖。  

三、免疫细胞分化发育与功能调控新机制研究

免疫系统为什么能够精确地感知外界病原体侵袭,并及时启动能够清除病原体的免疫应答反应?这是免疫学领域前沿性重大科学问题。目前认为具有“哨兵”功能的树突状细胞起了关键性作用,但对于树突状细胞为什么具有这样的特殊免疫功能尚不十分清楚。第二军医大学医学免疫学国家重点实验室曹雪涛课题组从表观遗传和蛋白质修饰的新角度,研究了树突状细胞分化发育的分子机制,发现了一种树突状细胞选择性高表达并对于树突状细胞发育成熟至关重要的以前未见报道的新长链非编码RNA(将之命名为树突状细胞长链非编码RNA,lnc-DC),对于为什么lnc-DC能够决定树突状细胞的发育成熟进行了机制研究,首次提出了胞浆中的lnc-DC能够直接结合磷酸化蛋白信号分子STAT3而起关键性作用,此作用方式对于研究其他生命科学现象及其RNA与蛋白质相互作用机理有重要的启示与借鉴意义。此外,对于如何控制树突状细胞不过度活化以避免机体发生自身免疫性疾病,该课题组发现了一个名为Rhbdd3的蛋白质分子,能够抑制树突状细胞成熟和分泌炎症因子,阻止了自身免疫性疾病发生。  

该研究丰富了对免疫细胞分化发育与参与自身免疫病机制的认识,对疫苗研发和疾病免疫治疗探索有指导作用。研究结果分别发表于今年《Science》和《Nature Immunology》。  

四、快舟星箭一体化飞行器技术及应用

该项成果是在国家863计划重点支持下取得的一项原创性成果。针对突发灾害应急监测和抢险救灾信息支持的迫切需求,在国际上首次提出并实现了星箭一体化设计的理念和方法,解决飞行器快速研制、快速发射、快速应用的核心技术问题,实现了我国固体运载器机动发射卫星首次成功,创造了我国遥感卫星最快成像纪录。项目总体指标国内领先、国际先进,开辟了我国快速响应空间技术发展的新途径,取得了重大的经济和社会效益。  

利用该成果研制的快舟一号卫星于2013年9月25日成功发射,在巴基斯坦阿瓦兰地震、台湾花莲地震、新疆于田地震、四川冕宁县森林火灾、霍尼亚拉洪灾、马航MH370客机失联、中国科考船“雪龙号”破冰支援等灾害发生后,及时实施了灾情监测,快速获取了灾害信息。特别是在云南鲁甸地震救援期间,快舟一号是我国唯一一颗实现针对灾区连续15天重访成像的高分辨率遥感卫星,及时提供了高分辨率的震区影像,为及时全面了解灾情、灾情评估、抢险救援指挥决策等提供了有力信息支撑。  

快舟一号作为我国首颗具有快速响应能力的卫星,还在工程建设、土地利用、采矿区开采、水文、环境等实时监测应用方面,为国内19个省份61家用户单位提供了高质量遥感影像。  

五、水稻矮化多分蘖基因DWARF 53的图位克隆和功能研究

水稻籼粳亚种间存在强大杂种优势,但籼粳交杂种普遍存在株高超高的问题,利用部分显性矮杆基因可克服株高超高,有效利用籼粳杂种优势。独脚金内酯是2008年发现的调控植物分枝的第三种激素,对植物株型起着至关重要的调控作用,但其信号传导途径却知之甚少。本研究利用一个水稻部分显性矮杆突变体dwarf 53(d53),通过图位克隆获得D53基因,它编码一个新的在结构上与I类Clp ATPase类似的核蛋白。分析发现,在独脚金内酯存在条件下,D53蛋白可与两个已知的独脚金内酯信号分子D14、D3互作,形成D53D14SCFD3蛋白复合体,使D53蛋白泛素化,进而被蛋白酶体特异降解,诱导下游目标基因表达,使独脚金内酯信号响应。该结果首次在遗传和生化层面上证实了D53蛋白作为独脚金内酯信号途径的抑制子参与调控植物分枝(蘖)生长发育,具有重要科学意义。不仅为水稻株型改良提供重要理论基础,也为籼粳交杂种优势利用提供有用的基因和材料。  

该结果以Article Research形式在2013年12月26日《Nature》上正式发表,目前已被SCI他引31次。该杂志同期News & Views栏目为本研究发表了专题评述,认为“D53蛋白的发现为研究独脚金内酯和其他激素信号途径提供了积极帮助,并对调节植物营养分配与利用具有深远的影响”。  

六、高温气冷堆主氦风机工程样机研制

高温气冷堆主氦风机工程样机项目由国家科技重大专项支持,集合高校与企业力量协同创新,并已经取得重大成果。成功研制的高温气冷堆主氦风机,无论功率还是技术水平都属于世界领先,是世界高温气冷堆先进核电技术研发中的主要技术难关。该成果是我国自主创新在先进核能核心装备技术上的重大突破,对于我国自主创新的高温气冷堆示范电站建设具有重大意义。  

主氦风机是高温气冷堆核电站的心脏装备。在研制过程中解决了多个重大技术问题,如主氦风机整机总体设计,大型氦气置入式立式高速电动机的研制,电磁悬浮轴承支撑的转子动力学分析,高性能叶轮的研制,大电流、高压差、高电压一回路边界电气贯穿件的研制等。  

主氦风机的转子采用现代最新科技成果电磁轴承进行支撑。风机转子重量约4吨,完全采用电磁悬浮轴承支撑,实现了非接触无磨损运行,不需要润滑油系统。这是电磁轴承技术在世界上首次用于反应堆设备。  

主氦风机工程样机由清华大学核能与新能源技术研究院负责总体技术并提供电磁轴承,同时负责整机调试及试验,佳木斯电机负责电机,上海电气鼓风机厂负责叶轮及整机总装和试验平台,中核能源公司负责项目管理和质保。它的研制成功也是先进核能技术协同创新的重大成果。  

七、具有极高硬度和稳定性的纳米孪晶金刚石

天然金刚石一直被认为是自然界中最硬的材料。自从1955年人类成功合成金刚石起,合成出比天然金刚石更硬的材料就成为科学界和产业界的共同梦想。燕山大学田永君教授领导的中外研究团队,在建立的多晶共价材料硬化模型指导下,采用洋葱碳为前驱体,成功合成出具有极高硬度和热稳定性的纳米孪晶金刚石,孪晶的平均厚度仅为5纳米。纳米孪晶金刚石的维氏硬度可达200GPa,是天然金刚石的2倍,实现了人类合成比天然金刚石更硬材料的梦想;其韧性也比金刚石单晶提高了一倍,且抗氧化温度比天然金刚石高出200摄氏度以上。硬度、韧性和热稳定性三大指标的显著提高将使这类超硬工具的寿命成倍提高。  

本成果发表在2014年6月的《Nature》杂志上,杂志封面和目录页分别进行了导读,题为“极致的金刚石:纳米孪晶合成将其硬度及热稳定性推至顶峰”和“硬科学:合成的金刚石日渐强大”,杂志同期的News & Views栏目刊文“金刚石变得更硬”也详细介绍了该项工作。本成果引起了学术界的广泛关注和高度评价,Nano Today、Materials Today等杂志以及科技日报、参考消息、赫芬顿邮报、芝加哥论坛、洛杉矶时报等新闻媒体和科学网站都进行了报道。  

八、肝硬化中肠道菌群的改变的研究

2014年7月,浙江大学李兰娟院士领衔的团队,首次通过肠道微生态宏基因组技术,确定了肝硬化肠道微生物组的特征,成果发表在《Nature》杂志。  

该研究从中获得269万个非冗余的人体肠道微生物菌群的基因集,首次建立了世界上第一个肝硬化肠道菌群基因集,包含269万个基因,其中36.1%即97万个为首次发现的基因;同时,阐明了肝硬化肠道菌群的结构变化;并通过基因标记物的聚类分析,发现了28种细菌与肝硬化密切相关,其中多个细菌是在肝硬化患者中首次发现,38种与健康人密切相关。此外,首次发现肝硬化患者口腔菌侵入到肠道,而健康人中没有此现象,可能对肝硬化发生发展产生重要影响;还发现了15个高特异性和灵敏性的微生物基因,建立了预测疾病的模型,今后不仅有助于肝硬化诊断,还能用于肝硬化疗效的评估。  

这是李院士领衔的科研团队20年肝病微生态研究的结晶,他们对微生态在肝病发生发展中的作用机制做了大量艰苦的研究,取得了系列原创性成果,具有重大国际影响力。2013年9月,李兰娟院士当选为第五届国际人体微生物组联盟(IHMC)主席,成为首个在该组织担任主席职务的中国人。同时将作为大会主席举办2015年卢森堡国际人类微生态大会,引领国际微生态的学科发展方向。  

九、全球变暖减缓的特征与机制

过去十几年间,人为温室气体加速排放,但全球表面温度上升速度却明显减缓。这些现象导致有些人开始质疑人类活动对全球气候变暖的影响作用。而气候学家则一直致力于寻找现象背后的物理本质。中国海洋大学陈显尧教授和美国华盛顿大学Ka-Kit Tung教授的最新合作研究结果表明,全球气候变暖的步伐并没有减缓,只是热量在气候系统各组成部分中的分配发生了变化。过去十几年间,大洋热盐环流将气候系统吸收的热量更多地输送至深层海洋,从而减缓了地球表面温度上升的速度。  

大西洋表面热盐环流可以把热带高温高盐水输送到北大西洋北部,在那里海水向大气失热,变得更重而沉入深海,并形成北大西洋深层水向南输送。通过分析观测数据,陈显尧和Ka-Kit Tung发现上世纪90年代后期,北大西洋北部海水温度—盐度持续上升,由此推测大洋热盐环流的下沉分支可能变强,从而向深层海洋输送了大量热量而减缓表面温度上升。分析表明类似现象曾发生在上世纪50—70年代,北大西洋0—1500米层海洋的温度和盐度具有显著并同步的多年代际振荡特征。  

这一成果说明了海洋在气候变暖的进程中起着至关重要的调控作用,也凸显了加强海洋观测模拟和分析对提高气候预测能力的重要性和紧迫性。  

十、复合离子液体碳四烷基化生产高品质清洁汽油新技术

环保要求日益严格呼唤更清洁的汽油。碳四烷基化汽油具有高辛烷值、无硫、无烯、无芳等优点,是最理想的清洁汽油调和组分。传统工艺以浓硫酸或氢氟酸为催化剂,存在严重的设备腐蚀及潜在的环境污染与人身危害等重大问题,其工业应用受到了越来越大的挑战。因此,环境友好的碳四烷基化技术的开发一直是世界炼油工业的焦点。  

中国石油大学(北京)徐春明教授和刘植昌教授所带领的研究团队,创新性地开发成功兼具高活性和选择性的复合离子液体催化剂;开发成功复合离子液体碳四烷基化新工艺,发明了催化剂活性监测方法和再生技术;开发成功管道反应器、旋液分离器等专用设备,建成世界首套“10万吨/年复合离子液体碳四烷基化工业装置”。工业运行结果表明,产品辛烷值高达97以上,吨烷油催化剂当量消耗5公斤,吨烷油能耗157kgEO。中国石油和化学工业联合会成果鉴定认为“该技术具有自主知识产权,总体技术处于国际领先水平,具有广阔的应用前景和推广价值”。该技术的成功应用,为我国乃至世界商品汽油的清洁化和全面质量升级提供了一种崭新的解决方案。  

该技术获17项国际发明专利、10项中国发明专利,发表论文30余篇。于2014年9月获得中国石油和化学工业联合会唯一的技术发明特等奖。  

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