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《科技导报》编辑部 苏 青,朱 宇,代 丽,岳 臣
本文刊载在《科技导报》2010年第1期上
摘要 在本刊连续6年评选年度“中国重大科学、技术与工程进展”的基础上,本着“分门别类、本刊推荐,专家遴选,宁缺毋滥、叙述事实、以时为序”的原则,从《科技导报》“半月科技新闻媒体关注指数排行榜”、“半月科技风云”、“国内科技要闻”、“科学共同体要闻”、“封面图片说明”等栏目,以及国内外重要学术期刊和科技新闻媒体所刊载的有关重大国内科技新闻中,按“科学”、“技术”和“工程”3个类别,由本刊编辑部遴选、推荐候选条目,最终由有关专家学者投票推选出2009年度中国重大科学、技术和工程进展。① 2009年中国重大科学进展10项:发现纳米孪晶铜的极值强度和超高加工硬化效应,β-arrestin2复合体信号缺损可导致胰岛素耐受,钠在高压条件下可转化为透明绝缘体,应用诱骗态量子密码技术建立安全通信网络的实际应用测试,禽流感病毒PA亚基N端晶体结构解析揭示其内切酶活性位点,中国陆地生态系统的碳平衡状况,超级杂交水稻LYP9及其亲本的转录组学分析研究,鸟类起源研究取得重要进展,通过使纳米管形成网状结构并与聚合物链分子耦合增强复合材料强度,高温铜氧化物超导体物性和超导机理研究取得重要进展;② 2009年中国重大技术进展10项:国内首列实用型中低速磁悬浮列车运行试验,全球首台纳秒深紫外固态激光源实用化样机研制成功,建成世界上最大口径大视场光学天文望远镜,首座世界最先进的圆筒型超深水海洋钻探储油平台,新支线客机ARJ21-700完成首次城际飞行,首套年产千万吨级煤矿综采装备下线,完成世界上最清晰的全月球三维数字地形图,研制成功大容量钠硫储能电池,成功研制千万亿次超级计算机系统“天河一号”,首台自主研发2.0 MW永磁直驱风力发电机设计完成;③ 2009年中国重大工程进展10项: 神华煤直接液化百万吨级示范工程试车成功,中国首个特高压交流输变电工程建成并投入运营,嫦娥一号卫星成功撞月、探月一期工程圆满结束,世界上最长的隧道在辽宁全线贯通,上海同步辐射光源建成并投入使用,北京正负电子对撞机重大改造工程完成,中国大陆首条自主设计海底隧道全线贯通,中国西南野生生物种质资源库通过国家验收,武广铁路客运专线成功试运行,世界上跨径最大的双层公路斜拉桥——上海闵浦大桥通车。
0 引言
在连续6年遴选发布中国年度重大科学、技术与工程进展的基础上[1-7],从《科技导报》“半月科技新闻媒体关注指数排行榜”、“半月科技风云”、“国内科技要闻”、“科学共同体要闻”、“封面图片说明”等栏目,以及国内外重要学术期刊和科技新闻媒体所刊载的有关国内科技新闻中[8-35],对2009年中国重大科学、技术和工程进展进行盘点,在编辑部遴选、推荐30项重大科学进展、32项重大技术进展和15项重大工程进展候选条目的基础上,最终由有关专家学者投票推选出2009年度中国重大科学进展10项、重大技术进展10项、重大工程进展10项。
遴选2009中国重大科学、技术和工程进展时,遵循下述原则[1-7]:① 分门别类:各项进展分别按“科学”、“技术”和“工程”进行分类遴选;② 本刊推荐:本刊编辑部从《科技导报》等科技媒体正式报道的全年重大科学、技术和工程进展中,遴选、推荐30项重大科学进展、32项重大技术进展和15项重大工程进展作为候选条目;③ 专家遴选:本刊编辑部将重大科学、技术和工程进展候选条目及其相关信息,通过电子邮件发送给《科技导报》院士作者、全体编委和部分审稿专家投票遴选,各类进展得票最多的前10个候选条目被确定为2009年度中国重大科学、技术和工程进展;④ 宁缺毋滥:遴选出的各项重大科学、技术和工程进展尽量能得到科技界比较广泛的认同,不人为地凑数量;⑤ 以时为序:每项重大进展必须是在
1 2009年中国重大科学进展(10项)
1.1 发现纳米孪晶铜的极值强度和超高加工硬化效应
多晶材料的强度随颗粒尺寸的减小而提高。但根据原子模拟的结果,当颗粒尺寸小于一个临界尺寸后,更小的颗粒可能导致软化。多晶材料的强度极值应出现在变形由晶格位错向颗粒边界作用的转变点上。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢磊研究小组与卢柯、丹麦Risφ可再生能源国家实验室黄晓旭,合作研究了具有不同孪晶层厚度的纳米孪晶纯铜的极值强度,结果发现强度随孪晶层厚度下降而提高,在15 nm时达到极值,随后伴随应变硬化和拉伸塑性的增加而逐步软化。在极值强度纳米孪晶层厚度下,屈服机制发生了以横穿双晶界的滑移为主向以预存简单位错为主的转变。上述研究结果表明,纳米孪晶纯铜极值强度的出现,是由于随孪晶片层尺寸减小,塑性变形机制从以位错孪晶界相互作用主导转变为由孪晶片层结构中预存位错运动主导所致。相关研究论文发表在
1.2 β-arrestin2复合体信号缺损可导致胰岛素耐受
胰岛素耐受是II型糖尿病的一个特征,它是由于胰岛素刺激的胰岛素受体信号传导功能缺陷造成的。通过胰岛素刺激,胰岛素受体募集并磷酸化胰岛素受体底物蛋白,导致磷酸肌醇-3-OH激酶(PI3K)-Akt信号通路活化。活化的Akt可进一步磷酸化下游的激酶和转录因子,最终调节完成胰岛素的大多数代谢行为。β-arrestins通过与带有各种不同附属和效应蛋白的受体相结合调节G蛋白偶联受体的生物功能,最终决定信号的特异性、效率和能力。中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所裴钢研究组与合作者研究发现,在糖尿病小鼠模型中,β-arrestin2表达显著下调。敲低β-arrestin2可以加剧胰岛素的耐受,而重新导入β-arrestin2后可以恢复小鼠对胰岛素的敏感性。更进一步的研究显示,胰岛素可以刺激新β-arrestin2信号复合物的形成,其中β-arrestin2可将Akt和Src募集到胰岛素受体。β-arrestin2的缺失或功能丧失在体内可导致这一信号复合物缺陷和对胰岛素信号的干扰,因此,它可能参与了胰岛素耐受的发展和II型糖尿病的进程。上述结果为研究胰岛素耐受的分子病理机制提供了新视角,并为治疗胰岛素耐受和II型糖尿病提出了新的可能方案。相关研究论文发表在
1.3 钠在高压条件下可转化为透明绝缘体
在高压条件下,金属原子间距离缩短,一般情况下,这可导致价带和导带宽度的增加而表现出更明显的自由电子行为。但目前实验可以达到的致密状态已可使芯电子云出现交叠,这种效应可显著改变单自由电子金属(如锂和钠)的电子属性,产生结构复杂的相变和具有高临界温度的超导电性。但另一方面,实验也已经证实,金属锂和钠在高压下可由于碱性原子配对而成为绝缘体。吉林大学超硬材料国家重点实验室马琰铭研究小组与国外合作者实验发现,在约200 GPa压力条件下,金属Na可以转化成为一种光学透明状态。实验和计算结果显示这种新构象是一种宽带隙绝缘体,具有六配位的高度压缩的双六角密堆晶体结构。研究者认为,这种致密绝缘结构不是原子配对的结果,而是价电子在高压下发生p-d杂化,并被芯电子云排斥进入晶格间隙的结果;同时推测,当压力大至足够使原子核心发生强烈重叠时,这种绝缘状态可以在其他元素和化合物中产生。相关研究论文发表在
1.4 应用诱骗态量子密码技术建立安全通信网络的实际应用测试
量子通信是量子力学和经典通信的交叉学科,有着传统通信方式所不具备的安全特性,在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景。中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)潘建伟和陈增兵研究小组,利用诱骗态量子密码技术建立了一个光量子安全网络通信系统。全套密钥交换和应用协议在3个节点实时进行,2个相邻节点由大约
1.5 禽流感病毒PA亚基N端晶体结构解析揭示其内切酶活性位点
流感病毒聚合酶三聚体包含PA、PB1和PB2三个亚基,负责催化病毒RNA在感染细胞核内的复制和转录。PB1是聚合酶的活性中心,可能具有内切酶活性,而PB2主要负责与帽结构的结合。PA的氨基末端被认为是PA蛋白的主要功能区,可能具有多种功能,包括内切酶、蛋白酶活性以及病毒RNA与互补RNA启动子的结合。中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室刘迎芳小组和饶子和小组合作,解析了禽流感H5N1病毒PA亚基N端197个氨基酸残基(PAN)的2.2?晶体结构。PAN具有一个α/β结构,揭示其可通过一个与内切酶特征基序(P)DXN(D/E)XK类似的基序结构结合一个镁离子。结构比较和突变分析显示,PAN具有一个内切酶活性位点;体内核蛋白重建功能分析和体外直接内切酶实验也进一步证实PAN具有一个内切酶活性位点,并在流感病毒聚合酶的内切酶活性中发挥比PB1更重要的作用。研究人员还发现,在流感病毒不同株系中这一内切酶位点表现出高度保守的特点,这提示PAN是抗流感治疗的重要靶点。相关研究论文发表在
1.6 中国陆地生态系统的碳平衡状况
20世纪80~90年代,全球陆地生态系统年吸收碳1~4 Pg(1 Pg =
1.7 超级杂交水稻LYP9及其亲本的转录组学分析研究
虽然杂交优势在农业生产上得到广泛应用,但其遗传基础和分子机理仍不甚明晰。根据已知和预测的籼稻基因,中国科学院遗传与发育生物学研究所朱立煌研究组和朱祯研究组与中国科学院北京基因组学研究所于军研究组及湖南杂交水稻中心袁隆平研究组合作,设计了全基因组寡聚核苷酸芯片,并利用这种芯片研究了超级杂交稻LYP9及其亲本株93-11和PA64s发育过程中叶与花序的转录组情况。结果发现,从7种组织(育秧和耕种期的叶,孕穗期、抽穗期、开花期和灌浆期的剑叶,灌浆期的花序)分离的共计36926个基因中,有22266个在上述样本组织中表达。聚类分析结果表明,F1代杂种的表达谱大部分与其亲本类似,数量远超过与两亲本株不同的基因。在所有的基因中,有7078个基因在全部样本组织中表达,3926个基因存在差异表达(DG)。研究人员将DG分为亲本间差异DGPP和杂种-亲本差异DGHP进行比较,结果显示,与DGPP相比,DGHP中更多的是与能量代谢和运输相关的基因。此外,通过研究DG和产量相关数量性状基因位点的关系,研究人员还提出了一组潜在的杂种优势相关基因。相关研究论文发表在
1.8 鸟类起源研究取得重要进展
关于鸟类的起源有多种观点,其中一种主流观点认为鸟类源于兽脚亚目恐龙,目前很多化石和发育生物学证据支持此类观点。但也有一些证据似乎与该观点不相协调,此前发现的带有羽毛的恐龙化石证据表明,这些带有羽毛的恐龙生活时代在最早的鸟——始祖鸟之后。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所徐星及其合作者的研究结果为解释这些疑难提供了新的证据。他们研究了新疆准噶尔盆地侏罗纪地层中发现的一种奇特的小型恐龙——泥潭龙,该种恐龙属于兽脚亚目恐龙的一个分支——象鼻龙类。比较特殊的是,该种恐龙长有类似鸟的喙,而且是植食性恐龙。化石表明,该种恐龙长有4个指,其第1指已经退化,第2指进化得比较粗大。研究人员进一步对比了其他一些兽脚类恐龙的化石,提出了一种恐龙指退化假说:恐龙在进化中两侧的指发生退化,但由于生活习性的原因,其保留的中间三指发生形态变化,而转变为更似内侧3指。该假说可以解释恐龙向鸟类进化假说中指骨进化化石证据与发育学证据间的矛盾。相关研究论文发表在
沈阳师范大学胡东宇和徐星等合作,研究了一块来自中国辽宁西部晚侏罗纪早期地层中(约1.6亿年前,早于始祖鸟)保存完好的小兽脚类恐龙化石。这块化石可能属于Troodontidae,是兽脚类恐龙中最接近鸟类的一种。新发现的化石在其近乎完整保存的骨架周围清晰地分布有羽毛印痕,在前、后肢和尾部特别是跖骨位置均分布奇特的飞羽,为羽毛早期进化提供了研究资料。该发现如被确证,将打破鸟类起源于兽脚类恐龙假说的时间悖论。相关研究论文发表在
此外,以往发现于非鸟类恐龙的羽毛都被认为是已经演化到一种高级阶段,而不是演化早期的羽毛。徐星与合作者从两块北票龙化石样本中发现了一种新的羽毛类型,这种羽毛每根都是一条单独的宽纤维,同发育模型预测的羽毛第一阶段的形态相一致。该发现使绝大部分预测的羽毛形态在化石样品中都找到了记录,而且进一步表明羽毛早在鸟类出现及飞行能力形成之前即已形成。相关研究论文发表在
1.9 通过使纳米管形成网状结构并与聚合物链分子耦合增强复合材料强度
作为无缺陷纳米尺度结构材料,碳纳米管(CNT)具有前所未有的力学性能,但是,由于CNT之间的团聚、CNT与聚合物基质界面间的缺陷以及CNT弯曲等因素,其在复合材料中的潜能尚未得到完全发挥。中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室(筹)解思深研究小组与国家纳米科学中心张忠研究组合作研究发现,通过使CNT形成连续的三维网状结构,并使CNT与聚合物链在分子水平耦合,可以使CNT在复合物中发挥预期的作用。具有网状纳米管结构的复合纤维与短CNT随机分布加固复合材料相比,其强度发生了数量级增强。而且,纳米管和多聚物链分子水平的耦合可以导致热固性和热塑性复合纤维性质发生显著变化,提示一般的宏观复合理论不能解释所有的纳米尺度杂合行为。相关研究论文发表在2009年8月Nano Letter上[46]。
1.10 高温铜氧化物超导体物性和超导机理研究取得重要进展
铜氧化物高温超导体早在20多年前就已发现,但其超导机理仍未解决。中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室(筹)周兴江研究组和闻海虎研究组,在高温超导体母体欠掺杂区费米面形状以及超导机理研究方面取得重要进展。高温超导体母体欠掺杂区域费米面的拓扑形状是理解高温超导体奇异物性的最基本的问题,也是在理论和实验方面一直争议不断悬而未决的重要问题。近期的一系列量子振荡实验都表明,在欠掺杂样品中可能存在费米口袋。但到目前为止,角分辨光电子能谱仪没有观测到费米口袋,观察到的都是费米弧的图像。周兴江研究组与中国科学院理化技术研究所陈创天等合作,利用自主研制的超高分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪,在欠掺杂高温超导体Bi2201中第一次直接观察到费米口袋,而且在正常态还进一步观察到费米口袋和费米弧的共存。这些研究结果为理解高温超导体奇异正常态的性质,检验和建立新的理论,提供了关键的实验证据。相关研究论文发表在
另一方面,常规超导体其超导态对应于一个能隙,它可保护超导的形成和稳定性。但对于铜氧化物超导体,特别是欠掺杂样品,其在远高于超导转变温度上就存在能隙(被称为赝能隙)。关于赝能隙与超导关系存在许多模型:一类模型将赝能隙与超导隔离开来,认为赝能隙是某些有序相如电荷密度波序与超导相竞争费米面上的态密度,因此,超导转变仍然满足BCS相变特性;另一类模型则认为赝能隙对应着与电子配对强度相关的能量尺度,超导转变温度之上有预配好的库柏对,但由于超流电子浓度太稀薄,超导温度不是由配对强度所决定,而是由相位刚度决定,超导转变是非BCS型的。常规超导体其超导相变应遵从熵守恒,通过测量铜氧化物超导相变是否处于熵平衡状态可以验证其超导相变类型。但该方法受制于比热测量精度和超导破坏所需的高磁场等条件。闻海虎研究小组制备出系列掺杂的高质量氧化物超导体Bi2Sr2-xLaxCuO6单晶,该系列样品超导转变温度较低,在较低磁场下即可破坏其宏观超导。并对其进行了高精度比热测量,获得了超导转变熵的变化。结果表明,欠掺杂铜氧化物超导体转变前后存在熵变,不满足BCS物理图像;在正常态已经有部分电子库柏对存在,而超导转变则对应于相位相干特性的建立。相关研究论文发表在
2 2009年中国重大技术进展(10项)
2.1 国内首列实用型中低速磁悬浮列车运行试验
2.2 全球首台纳秒深紫外固态激光源实用化样机研制成功
2.3 建成世界上最大口径大视场光学天文望远镜
2.4 首座世界最先进的圆筒型超深水海洋钻探储油平台
2.5 新支线客机ARJ21-700完成首次城际飞行
2.6 首套年产千万吨级煤矿综采装备下线
2.7 完成世界上最清晰的全月球三维数字地形图
2.8 研制成功大容量钠硫储能电池
2.9 成功研制千万亿次超级计算机系统“天河一号”
2.10 首台自主研发2.0MW永磁直驱风力发电机设计完成
3 2009年中国重大工程进展(10项)
3.1 神华煤直接液化百万吨级示范工程试车成功
3.2 中国首个特高压交流输变电工程建成并投入运营
3.3 “嫦娥”一号卫星成功撞月,探月一期工程圆满结束
3.4 世界上最长的隧道在辽宁全线贯通
3.5 上海同步辐射光源建成并投入使用
3.6 北京正负电子对撞机重大改造工程完成
3.7 中国大陆首条自主设计海底隧道全线贯通
3.8 中国西南野生生物种质资源库通过国家验收
3.9 武广铁路客运专线成功试运行
3.10 世界上跨径最大的双层公路斜拉桥——上海闵浦大桥通车
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