2017年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”入選項(xiàng)目介紹

 

　　一、非對(duì)稱微腔光場(chǎng)調(diào)控新原理研究

 

　　動(dòng)量守恒是自然界客觀規(guī)律之一，它反映了時(shí)空性質(zhì)，一個(gè)封閉系統(tǒng)的廣義動(dòng)量總是保持不變。作為增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的主要物理體系之一，光學(xué)微腔與外部光場(chǎng)的直接耦合需滿足動(dòng)量匹配條件，但往往僅在較窄光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，使得微腔寬帶光物理與應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。

 

　　北京大學(xué)“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”龔旗煌院士和肖云峰研究員等在非對(duì)稱光學(xué)微腔中提出混沌輔助的光子動(dòng)量轉(zhuǎn)換新原理，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)微腔的高效、超寬譜光耦合。非對(duì)稱光學(xué)微腔打破了空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，調(diào)控了局域光場(chǎng)，從而在支持分立回音壁模式的同時(shí)獲得了準(zhǔn)連續(xù)混沌模式。光子首先從納米波導(dǎo)折射進(jìn)入微腔混沌模式;混沌運(yùn)動(dòng)使得入射光子角動(dòng)量在皮秒時(shí)間尺度內(nèi)快速提升;隨即的動(dòng)力學(xué)隧穿過程實(shí)現(xiàn)其與回音壁模式高效耦合。混沌輔助的耦合不再需要微腔與波導(dǎo)模式光子的動(dòng)量匹配，有望在集成光子學(xué)和信息處理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。此外，他們還利用光學(xué)克爾效應(yīng)的非線性調(diào)制，在實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到微腔光場(chǎng)的自發(fā)對(duì)稱性破缺，并獲得了微腔手征光場(chǎng)。

 

　　研究成果分別發(fā)表在《科學(xué)》和《物理評(píng)論快報(bào)》上，得到國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注，被Phys.org和ScienceDailey等十余家國(guó)際科技媒體專題報(bào)道，標(biāo)志著我國(guó)微腔光學(xué)研究達(dá)到了一個(gè)全新高度。

 

　　二、5納米碳納米管CMOS器件

 

　　芯片是信息時(shí)代的基礎(chǔ)與推動(dòng)力，現(xiàn)有CMOS技術(shù)將觸碰其極限。碳納米管技術(shù)被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代的重要選項(xiàng)。理論研究表明，碳管晶體管有望提供更高的性能和更低的功耗，且較易實(shí)現(xiàn)三維集成，系統(tǒng)層面的綜合優(yōu)勢(shì)將高達(dá)上千倍，芯片技術(shù)由此可能提升至全新高度。北京大學(xué)電子學(xué)系彭練矛教授團(tuán)隊(duì)在碳納米管CMOS器件物理和制備技術(shù)、性能極限探索等方面取得重大突破，放棄傳統(tǒng)摻雜工藝，通過控制電極材料來控制晶體管的極性，抑制短溝道效應(yīng)，首次實(shí)現(xiàn)了5納米柵長(zhǎng)的高性能碳管晶體管，性能超越目前最好的硅基晶體管，接近量子力學(xué)原理決定的物理極限，有望將CMOS技術(shù)推進(jìn)至3納米以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)。2017年1月20日，標(biāo)志性成果以Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths 為題，在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science, 2017, 355: 271-276）；被包括IBM研究人員在內(nèi)的同行在《科學(xué)》《自然•納米技術(shù)》等期刊24次公開正面引用，并入選ESI高被引論文。相關(guān)工作被Nature Index、IEEE Spectrum、Nano Today、《科技日?qǐng)?bào)》等國(guó)內(nèi)外主流學(xué)術(shù)媒體和新華社報(bào)道；《人民日?qǐng)?bào)》（海外版）評(píng)價(jià)碳管晶體管的“工作速度是英特爾最先進(jìn)的14納米商用硅材料晶體管的三倍，而能耗只是其四分之一”，意味著中國(guó)科學(xué)家“有望在芯片技術(shù)上趕超國(guó)外同行”，“是中國(guó)信息科技發(fā)展的一座新里程碑”。

 

　　三、慢性阻塞性肺病早期干預(yù)

 

　　慢阻肺是位居我國(guó)第三位死因的重大疾病，我國(guó)40歲及以上人群慢阻肺患病率達(dá)8.2%，其中癥狀不明顯的早期患者占70.6%，該部分患者由于癥狀輕微甚至沒有明顯癥狀，很容易被忽視和漏診。待患者出現(xiàn)明顯氣促等癥狀去主動(dòng)就醫(yī)時(shí)，大多數(shù)已處于疾病中晚期，此時(shí)期的慢阻肺患者治療效果差，死亡率、再住院率和致殘率均較高，給患者家庭和社會(huì)帶來沉重負(fù)擔(dān)。

 

　　廣州醫(yī)科大學(xué)冉丕鑫團(tuán)隊(duì)首次針對(duì)癥狀不明顯的早期慢阻肺患者開展多中心臨床試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)吸入抗膽堿能藥物噻托溴銨，能夠顯著改善早期慢阻肺患者的肺功能和生活質(zhì)量，減緩肺功能年下降率，減少急性加重。針對(duì)我國(guó)肺功能檢查普及程度低、慢阻肺漏診率高的狀況，研制了符合國(guó)情的慢阻肺初篩技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)早期診斷、開展早期干預(yù)提供支持；為配合藥物治療，建立了社區(qū)分層精準(zhǔn)綜合防治模式，發(fā)現(xiàn)減少生物燃料煙霧暴露可降低慢阻肺發(fā)病危險(xiǎn)度。

 

　　該研究首次提出了慢阻肺的早期干預(yù)策略。提出對(duì)于長(zhǎng)期吸煙、暴露于污染空氣和生物燃料煙霧等慢阻肺患病因素的高危人群，宜早期篩查，一旦確診，即便沒有明顯呼吸道癥狀，也宜及時(shí)啟動(dòng)戒煙、減少生物燃料煙霧暴露和藥物治療等綜合干預(yù)措施，防止肺功能進(jìn)一步下降和疾病發(fā)展，提高慢阻肺綜合防治水平。

 

　　四、高性能數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化

 

　　高性能數(shù)控系統(tǒng)是發(fā)展高端制造裝備的基礎(chǔ)，代表國(guó)家制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。高速高精、五軸聯(lián)動(dòng)、多軸多通道等高性能數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床是其瓶頸問題，嚴(yán)重影響了我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

 

　　在國(guó)家重大科技項(xiàng)目和企業(yè)支持下，華中科技大學(xué)陳吉紅教授團(tuán)隊(duì)“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)了系列化高性能數(shù)控系統(tǒng)成套產(chǎn)品。構(gòu)建全數(shù)字、開放式數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)；開發(fā)了多軸聯(lián)動(dòng)、多通道等控制功能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜軌跡的運(yùn)動(dòng)控制；提出基于柔性加減速的高速納米插補(bǔ)方法，開發(fā)高速、高精、高剛度的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)；發(fā)明基于指令域大數(shù)據(jù)的分析方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床健康評(píng)估、斷刀監(jiān)測(cè)、工藝參數(shù)優(yōu)化等智能化應(yīng)用。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)5項(xiàng)，形成國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)13項(xiàng)。

 

　　成果在沈飛、成飛、航天八院、核九院、普什寧江等2000多家企業(yè)應(yīng)用近10萬(wàn)臺(tái)套，實(shí)現(xiàn)了航空航天、能源動(dòng)力、汽車及其零部件、3C制造、機(jī)床等領(lǐng)域高檔數(shù)控裝備和武器裝備的批量應(yīng)用，為我國(guó)高檔數(shù)控裝備的自主可控提供了重要技術(shù)保障。經(jīng)中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)鑒定，其功能、性能和可靠性達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，可替代進(jìn)口。在航空航天領(lǐng)域加工制造領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控實(shí)現(xiàn)了“零的突破”。

 

　　五、深海高精度水聲綜合定位技術(shù)

 

　　在哈爾濱工程大學(xué)研發(fā)的深海高精度水聲綜合定位系統(tǒng)引導(dǎo)下，我國(guó)“深海勇士”號(hào)載人潛水器今年9月29日在南海3500m深處僅十分鐘就快速找到預(yù)定的海底目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了“大海撈針”，標(biāo)志著我國(guó)深海高精度水聲定位裝備與技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

 

　　聲波是迄今為止水下唯一有效的信息載體，深海高精度水聲定位是人類依賴眾多水下潛水器進(jìn)入深海、探測(cè)深海和開發(fā)深海的關(guān)鍵。但要在水下實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星同量級(jí)的定位性能，必須克服水聲信道環(huán)境復(fù)雜、水聲平臺(tái)干擾嚴(yán)重和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)困難等挑戰(zhàn)。

 

　　經(jīng)過八年努力，孫大軍教授團(tuán)隊(duì)先后攻克了深海高精度超短基線定位（獲2016年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)）、融合水面超短基線陣列和海底分布長(zhǎng)基線陣列的綜合定位等關(guān)鍵技術(shù)，解決了海洋聲速慢、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)帶來的大時(shí)延異步高精度定位難題，研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水聲綜合定位系統(tǒng)（2017年授權(quán)發(fā)明專利6項(xiàng)），深海定位精度達(dá)到0.3米、定位有效率超過90%，綜合技術(shù)水平進(jìn)入世界領(lǐng)先行列。成功支撐了剛剛結(jié)束的我國(guó)“深海勇士號(hào)”載人深潛首航試驗(yàn)和我國(guó)最先進(jìn)科考船“科學(xué)號(hào)”南海綜合調(diào)查科學(xué)考察兩次任務(wù)，為我國(guó)開展萬(wàn)米深淵“馬里亞納海溝”科學(xué)探索等深海實(shí)踐，奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)與裝備基礎(chǔ)。

 

　　六、高軌星地雙向高速激光通信系統(tǒng)技術(shù)

 

　　高軌星地雙向高速激光通信系統(tǒng)技術(shù)是關(guān)系到國(guó)家全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一，項(xiàng)目的成功完成標(biāo)志著我國(guó)在空間激光通信領(lǐng)域走到了國(guó)際前列，是衛(wèi)星通信領(lǐng)域的又一個(gè)新里程碑。

 

　　衛(wèi)星激光通信具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，是建設(shè)空間信息高速公路不可替代的手段，也是當(dāng)前國(guó)際信息領(lǐng)域的前沿科學(xué)技術(shù)。高軌星地激光通信需在衛(wèi)星與地面站間實(shí)現(xiàn)高精度捕獲，并有效克服衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)、平臺(tái)抖動(dòng)、復(fù)雜空間環(huán)境等因素影響，保持激光光束的持續(xù)高精度穩(wěn)定對(duì)準(zhǔn)，技術(shù)難度極大，是當(dāng)前各國(guó)競(jìng)相開發(fā)的熱點(diǎn)。

 

　　2017年4月12日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚立英團(tuán)隊(duì)研制的激光通信終端隨衛(wèi)星發(fā)射入軌。2017年5至8月，高軌星地雙向高速激光通信系統(tǒng)在近4萬(wàn)公里距離的衛(wèi)星與地面站間，實(shí)現(xiàn)了上下行光束的“精確對(duì)準(zhǔn)、穩(wěn)定保持、高速通信”。利用激光光束建立的星地雙向高速信息傳輸通道，成功進(jìn)行了最高傳輸數(shù)據(jù)率達(dá)每秒5 Gbps的通信數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，是迄今為止國(guó)際上高軌衛(wèi)星激光通信的最高傳輸數(shù)據(jù)率，性能和技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

 

　　高軌星地雙向高速激光通信系統(tǒng)建立了天地信息網(wǎng)絡(luò)中通天鏈地的高速骨干通道，為我國(guó)今后建立天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)奠定了重要基礎(chǔ)。

 

　　七、“誘餌模式”——病原菌致病的全新機(jī)制

 

　　疫霉菌引起的作物疫病曾被稱為“植物瘟疫”，嚴(yán)重威脅著全球糧食和生態(tài)安全， 19世紀(jì)中期歐洲馬鈴薯晚疫病大流行曾導(dǎo)致幾百萬(wàn)人餓死或逃亡，這場(chǎng)“愛爾蘭大饑荒”被稱為人類歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。目前疫病每年在全球造成的損失依然高達(dá)200多億美元。作物疫病在田間爆發(fā)快、傳播快，危害嚴(yán)重，由于疫霉菌基因組復(fù)雜，致病機(jī)理缺乏了解，嚴(yán)重制約了防控技術(shù)研發(fā)。

 

　　南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王源超團(tuán)隊(duì)圍繞疫霉菌攻擊植物的主要武器“效應(yīng)子”，系統(tǒng)研究了疫霉菌效應(yīng)子的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)疫病菌在侵染過程中能向胞外分泌糖基水解酶XEG1降解植物細(xì)胞壁，植物則分泌蛋白酶抑制子GIP1抑制XEG1的活性；疫病菌又可分泌水解酶的失活突變體XLP1充當(dāng)“誘餌”干擾防御反應(yīng)，與XEG1協(xié)同攻擊植物抗病性。此外，還發(fā)現(xiàn)疫霉菌分泌效應(yīng)子到寄主細(xì)胞內(nèi)以干擾組蛋白乙?；确绞狡茐闹参锟共⌒?。

 

　　該成果于2017年發(fā)表在《Science》、《Current Biology》和《New Phytologist》上，被Nature chemical biology等多種雜志專文評(píng)述。該研究發(fā)現(xiàn)的“誘餌模式”是一種全新的病原菌致病機(jī)制，是生物互作領(lǐng)域近年來的一項(xiàng)重大理論突破。由于該機(jī)制在病原菌中具有普遍性，不但對(duì)改良作物持久抗病性具有指導(dǎo)意義，也為開發(fā)新型生物農(nóng)藥提供了新線索，在農(nóng)作物綠色生產(chǎn)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

 

　　八、真核生物酵母長(zhǎng)染色體化學(xué)再造

 

　　基因組設(shè)計(jì)合成是對(duì)基因組進(jìn)行全新設(shè)計(jì)和從頭構(gòu)建，能夠按需塑造生命，開啟從非生命物質(zhì)向生命物質(zhì)轉(zhuǎn)化的大門，推動(dòng)生命科學(xué)研究由理解生命到創(chuàng)造生命。基因組設(shè)計(jì)合成提供了深化理解生命進(jìn)化、基因組與功能關(guān)系等基礎(chǔ)科學(xué)問題的新思路。然而，基因組合成面臨長(zhǎng)染色體難以精準(zhǔn)合成、合成染色體導(dǎo)致細(xì)胞失活等難題。

 

　　天津大學(xué)元英進(jìn)、深圳華大基因研究院楊煥明、清華大學(xué)戴俊彪等團(tuán)隊(duì)聯(lián)合，經(jīng)過5年多的探索，完成了4條釀酒酵母長(zhǎng)染色體的化學(xué)全合成：創(chuàng)建了基因組缺陷靶點(diǎn)快速定位方法和多靶點(diǎn)片段共轉(zhuǎn)化精確修復(fù)技術(shù)，解決了化學(xué)合成長(zhǎng)染色體導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)染色體合成序列與設(shè)計(jì)序列的完全匹配。創(chuàng)建了多級(jí)模塊化和并行式染色體合成策略，實(shí)現(xiàn)了由小分子核苷酸到真核長(zhǎng)染色體的快速定制合成。構(gòu)建了人工環(huán)形染色體，為當(dāng)前無(wú)法治療的染色體成環(huán)疾病發(fā)生機(jī)理和潛在治療手段建立了研究模型。

 

　　該研究于2017年3月10日以長(zhǎng)文形式發(fā)表4篇《Science》論文，引起國(guó)內(nèi)外專家和媒體的極大關(guān)注，被《Science》、《Nature》、《Nature Biotechnology》、《NatureReviews Genetics》、《Molecular Cell》等期刊發(fā)表專文高度評(píng)價(jià)。

 

　　九、煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

 

　　2016年12月25日，西安交通大學(xué)校方將郭烈錦教授提出并經(jīng)團(tuán)隊(duì)20年研發(fā)成功的“煤炭超臨界水氣化制氫發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”作價(jià)1.5億元、轉(zhuǎn)讓給產(chǎn)業(yè)化投資集團(tuán)-陜西中核交大公司，這正式啟動(dòng)了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化工作。一年來團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，發(fā)展了針對(duì)該技術(shù)大型工程化聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)集成與匹配方法，解決了產(chǎn)業(yè)化中存在的關(guān)鍵技術(shù)和輔助配套工程技術(shù)，完成了熱電聯(lián)產(chǎn)、氫熱聯(lián)產(chǎn)等兩大類大型工程示范裝置的技術(shù)設(shè)計(jì)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化投資集團(tuán)陜西中核交大公司分別聯(lián)合西安城投集團(tuán)、榆林環(huán)保集團(tuán)投資4.2億元和5.0億元開展了熱電、氫熱等兩類聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的首套示范工程的建設(shè)工作。

 

　　該技術(shù)可從源頭上解決導(dǎo)致霧霾的SOx、NOx等燃煤氣體污染物和粉塵排放，以超臨界水、H2和CO2組成的混合產(chǎn)物氣可用于制氫、發(fā)電、供熱、供蒸汽，工藝上可自然實(shí)現(xiàn)CO2富集和資源化利用，可提高發(fā)電機(jī)組煤電轉(zhuǎn)化效率至少五個(gè)百分點(diǎn)，降低一次投資30%，節(jié)水，運(yùn)行費(fèi)用更低。第三方論證專家組認(rèn)為“該技術(shù)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)是可行的，經(jīng)濟(jì)性是合理的”。投資方認(rèn)為該技術(shù)“實(shí)現(xiàn)了煤炭能源的高效、潔凈、無(wú)污染利用，必將帶來能源技術(shù)的深刻變革，為全球節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)”。

 

　　十、高速鐵路列車運(yùn)行動(dòng)力效應(yīng)試驗(yàn)系(iHSRT)

 

　　高速鐵路列車運(yùn)行速度高，接近或超過路基土體的波動(dòng)傳播速度，列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)不能及時(shí)傳播出去引發(fā)激波現(xiàn)象和馬赫效應(yīng)，導(dǎo)致路基產(chǎn)生過大振動(dòng)和循環(huán)累積沉降，影響列車安全及乘坐舒適性。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可控條件下研究高速列車運(yùn)行引起的線路路基動(dòng)力效應(yīng)具有重要科學(xué)意義和工程價(jià)值。

 

　　浙江大學(xué)邊學(xué)成教授牽頭的陳云敏院士團(tuán)隊(duì)發(fā)明了國(guó)際上首臺(tái)高速鐵路列車運(yùn)行動(dòng)力效應(yīng)試驗(yàn)裝置。該裝置將列車運(yùn)行荷載轉(zhuǎn)化為作用于一系列軌枕上的垂向動(dòng)荷載，通過精確控制相鄰激振器的加載相位差實(shí)現(xiàn)列車輪軸高速移動(dòng)對(duì)路基的加載。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由列車運(yùn)行加載激振器陣列、加載控制系統(tǒng)、全比尺線路模型和測(cè)試系統(tǒng)組成，最高車速達(dá)360km/h。核心技術(shù)獲美國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng)，中國(guó)發(fā)明專利8項(xiàng)。

 

　　利用該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了伴隨動(dòng)孔壓劇增的飽和路基馬赫效應(yīng)和樁承式路基動(dòng)力土拱效應(yīng)，揭示了高鐵路基內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力放大效應(yīng)及沿深度衰減規(guī)律、循環(huán)累積沉降規(guī)律和產(chǎn)生過大沉降的機(jī)理。據(jù)此提出了路基循環(huán)累積沉降評(píng)價(jià)、控制和修復(fù)方法，并成功應(yīng)用于軟土地基上的10余項(xiàng)高鐵和地鐵工程，取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。成果在國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表論文10篇，其中發(fā)表在Soil Dynamics and Earthquake Engineering的論文被評(píng)為“Most Cited Articles”。

 

　?。▉碓矗航逃烤W(wǎng)站）