2020年中国重大科学、技术和工程进展

 

《科技导报》编辑部从国内外重要科技期刊和科技新闻媒体2020年1月1日至12月31日间发表、公布或报道的中国科技成果中，遴选、推荐30项重大科学进展、30项重大技术进展、49项重大工程进展候选条目。由《科技导报》编委、审稿人等专家通信评选，根据每项进展的得票情况，推选出2020年中国重大科学进展10项、重大技术进展10项、重大工程进展10项。以下按发表、公布或报道的时间先后逐一介绍。

 

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2020年中国重大科学进展

 

精准绘制地球3亿年生物多样性变化历史

 

南京大学沈树忠、樊隽轩团队联合国内外专家建设大型数据库，绘制出全球第一条高精度的古生代海洋生物多样性变化曲线。

 

精准刻画了地质历史中多次重大生物灭绝和辐射事件，揭示了当时生物多样性变化与大气CO₂含量的协同关系。

 

 

古生代海洋生物多样性演变曲线 来源：Science

 

新型冠状病毒的发现与科学应对

 

2020年，科学界对新型冠状病毒（新冠病毒）及其引发的疾病进行了广泛而深入的研究。

 

中国学者的研究包括：对新冠病毒进行详细的基因组测序、揭示受体ACE2特异性介导新冠病毒细胞侵染的结构基础、阐明抗新冠病毒药物最关键靶点蛋白的结构信息、公布首个新冠疫苗动物实验研究结果、揭示新冠病毒的完整病毒结构等。

 

 

新冠病毒结构（a）新冠病毒刺突蛋白RBD与人源ACE2的复合物晶体结构 来源：Nature；（b）新冠病毒主蛋白酶同源二聚体的晶体结构，及其与小分子抑制剂的结合模式 来源：Nature；（c）结合单颗粒三维重构和断层扫描三维重构得到的新冠病毒整体结构 来源：Cell

 

在疫苗研发方面，中国同时开展了灭活疫苗、病毒载体疫苗、蛋白亚单位疫苗、核酸疫苗等的研发，腺病毒载体疫苗在全球率先开展1期临床试验，灭活疫苗在全球率先开展3期临床试验，并获批附条件上市。

 

揭示脑-脾神经环路控制抗体免疫应答新机制

 

清华大学免疫学研究所祁海、上海科技大学胡霁及清华大学麦戈文脑科学研究所钟毅课题组合作，发现第一条神经信号调控适应性免疫应答的解剖学通路。

 

该通路是迄今发现的第一条解剖学明确、由神经信号传递而非内分泌激素介导的、中枢神经对适应性免疫应答进行调控的通路，揭示了大脑对适应性免疫的控制，并提出了通过行为干预增强免疫能力的可能性。

 

 

去脾神经手术降低疫苗接种后的浆细胞数量 来源：Nature

 

发现H+HD→H₂+D反应中直接抽取机制和漫游插入机制的量子干涉

 

中国科学院大连化学物理研究所杨学明、张东辉、孙志刚和肖春雷研究团队等在对氢原子与氢分子的同位素反应的研究中发现一种新的量子干涉现象，并揭示了该反应中的量子几何相位效应，对于从根本上理解这一重要体系的高能反应动力学具有重要意义。

 

 

H+HD→H₂+D拓扑反应途径示意（a）与后向散射产物H₂微分截面的理论与实验对比（b） 来源：Science

 

首次合成近质子滴线百纳秒寿命超铀新核素²²²Np

 

中国科学院近代物理研究所研究团队与合作者利用兰州重离子加速器的充气反冲核谱仪SHANS装置，首次合成了镎（Np）的一种新同位素核²²²Np。

 

此次在该同位素链中发现的新核素²²²Np，几乎达到了用充气反冲核谱仪研究新核素合成的半衰期极限。

 

 

实验建立的²²²Np衰变链 来源：Physical Review Letter

 

首次证明4-乙烯基苯甲醚是蝗虫的聚集信息素

 

中国科学院动物研究所康乐与河北大学科研人员合作，首次证明4-乙烯基苯甲醚（4VA）是蝗虫聚集信息素。

 

该研究首次从多个层面对飞蝗群居信息素进行了全面而充分的鉴定和验证，是昆虫学研究的一个重要突破，为蝗灾防治指明了新方向。

 

 

飞蝗群聚信息素4VA在自然栖息地吸引蝗虫 来源：Nature

 

发现睡眠压力调控的神经环路机制

 

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心徐敏与北京大学李毓龙研究组合作，发现基底前脑区的谷氨酸能神经元对于腺苷的快速释放和睡眠压力的积累起着重要的调控作用，揭示了睡眠稳态调控的神经环路机制，该研究为进一步探索睡眠稳态调节机制奠定了坚实的基础。

 

 

腺苷在睡眠稳态调控的神经环路机制 来源：Science

 

首次实现单个超冷分子的相干合成

 

中国科学院精密测量院詹明生、何晓东研究团队首创了一种单分子相干合成的新方法，即原子自旋与相对运动波函数耦合（spin-motion coupling，SMC），在国际上首次实现单个超冷分子的相干合成。

 

这项工作标志着对原子之间核间距自由度的相干控制，为基元化学反应过程相干控制、量子少体束缚态的相干合成及其量子调控提供了可能性。

 

 

SMC机制和分子缔合原理示意 来源：Science

 

首次发现快速射电暴源的辐射具有丰富偏振特征

 

中国科学院国家天文台李柯伽团队，在国际上首次发现快速射电暴爆发源FRB 180301的辐射具有丰富的偏振特征，结果表明宇宙中FRB的爆发源可能来自致密天体磁层中的物理过程。

 

该团队后又报道了一次有针对性的无线电观测活动，结果表明FRB-SGR爆发关联很少，FRB可能在几何上是成束的，或者与SGR爆发关联的类FRB事件可能具有较窄的频谱和所观察频带之外的特征频率。

 

 

磁星释放的快速射电暴 来源：Nature

 

在极细多晶体铜中发现新型亚稳结构

 

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心李秀艳、周鑫和卢柯与上海交通大学金朝晖课题组发现，当晶粒尺寸降低到几纳米时，纯金属铜多晶体会形成一种新型亚稳结构——受限晶体（schwarz crystal）结构。

 

这一发现表明多晶体金属在晶粒极细时还存在另外一种亚稳固体状态，其稳定性甚至远高于非晶固体，为研发高稳定性金属材料及制造工艺提供了新的机遇。

 

 

Schwarz晶体的原子模型和分子动力学模拟 来源：Science

 

2

2020年中国重大技术进展

 

提出质子辅助方法实现超平整石墨烯的可控生长

 

为了在生长石墨烯的同时与生长基体解耦进而根除褶皱，南京大学物理学院高力波团队及合作者开发了一种质子辅助化学气相沉积方法用来生长无褶皱的超平整石墨烯。

 

这项工作不仅提出了一种生长大尺寸均匀的超平整石墨烯的方法，同时发现质子辅助方法还可以用于消除已经存在的石墨烯褶皱，对其他低维材料的去褶皱、无损应力调控、应变掺杂以及储氢等也具有参考意义。

 

 

超平整石墨烯薄膜的形貌（a）与大线宽下量子霍尔效应（b） 来源：Nature

 

自主研发成功商用毫米波相控阵芯片

 

中国自主可控、成本超低的毫米波相控阵芯片问世，它速度快、覆盖广，打破了毫米波通信技术商用的制约，实现了中国在该项技术上的突破。

 

在世界上首次较为彻底地解决了阻碍CMOS毫米波通信问题，关键性能指标与国际水准相当，发射机效率和接收机功耗等指标远超国际，每个通道成本仅为传统常用技术路线的几十分之一，研制水平首次进入世界前列，实现了从芯片到天线阵的全面自主可控，为中国5G优势延续5~10年打下重要基础。

 

 

商用毫米波相控阵芯片 来源：网络通信与安全紫金山实验室

 

揭示克制小麦赤霉病的主效基因Fhb7

 

山东农业大学农学院教授、山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家孔令让及其团队从小麦近缘植物长穗偃麦草中首次克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7，且成功将其转移至小麦品种中。

 

首次明确并验证了其在小麦抗病育种中不仅具有稳定的赤霉病抗性，而且具有广谱的解毒功能。

 

 

Fhb7的跨物种转移和抗赤霉病分子机理 来源：Science

 

开发RNA-RNA空间相互作用的原位全景分析技术

 

中国科学院生物物理研究所薛愿超研究组与合作者开发了RNA原位构象测序新技术RIC-seq（RNA in situ conformation sequencing），通过高特异性、高效率、低噪音的原位近端连接和测序，首次全景式解析了细胞内RNA分子的原位高级结构和作用靶标。

 

此技术为破译RNA结构密码和调控机制提供了强大的工具，在RNA病毒的结构、靶标和致病机制研究中有着广泛的应用前景。

 

 

RIC-seq技术全景式解析RNA高级结构和作用靶标 来源：薛愿超研究组 （a）技术流程图（RBP-RNA结合蛋白）；（b）RIC-seq捕获RNA原位高级结构（RNA分子以不同颜色的螺旋线条表示，背景为蛋白质分子）；（c）RIC-seq解析增强子-启动子RNA链接（不同颜色代表不同的染色体）

 

实现尺寸最大、晶面指数最全单晶铜箔库的可控制备

 

北京大学/松山湖材料实验室刘开辉、王恩哥与南方科技大学俞大鹏联合团队在国际上首次实现了种类最全、尺寸最大的高指数晶面单晶铜箔库制造。

 

该铜箔库将为高功率电力、高频电子、选择性催化、量子材料外延等提供关键功能材料。

 

 

单晶形核长大过程以及8种代表性单晶铜箔 来源：Nature

 

提出基于忆阻器阵列的新型脑机接口

 

清华大学钱鹤、吴华强团队联合洪波团队提出了基于忆阻器阵列的新型脑机接口，实验制备了具有模拟阻变特性的忆阻器阵列，并构建了基于忆阻器的神经信号分析系统，相较于传统CMOS硬件，具有400倍以上的功耗优势。

 

 

基于忆阻器阵列神经信号分析系统的新型脑机接口 来源：清华大学新闻网

 

成功研制全球神经元规模最大的类脑计算机

 

浙江大学联合之江实验室共同研制成功的中国首台基于自主知识产权类脑芯片的类脑计算机（Darwin Mouse）发布，这也是目前国际上神经元规模最大的类脑计算机。

 

同时，团队还研制了专门面向类脑计算机的操作系统——达尔文类脑操作系统（DarwinOS），实现对类脑计算机硬件资源的有效管理与调度，支撑类脑计算机的运行与应用。

 

 

类脑计算机 来源：浙江大学新闻网

 

成功设计纳米“人造分子”简易制备方法

 

复旦大学聂志鸿团队创新性地提出利用反应性嵌段聚合物诱导纳米粒子间定向键合形成纳米尺度胶体分子的自组装策略。

 

该研究成功突破了现有纳米粒子精准组装调控困难、产率低下的技术瓶颈，为制备新型复合材料提供新思路。

 

 

类BF₃分子构型的AB₃胶体分子示意 来源：复旦大学新闻网

 

发现空位诱导的二维材料薄膜超快离子传输

 

中国科学院金属研究所任文才、成会明研究团队，制备出一类由二维过渡金属磷硫化物纳米片组装而成的膜，发现过渡金属空位使该类薄膜具有超快的离子传输性能。空位诱导离子快速传输为设计与开发高性能离子传导膜提供了一种新思路。

 

 

98%相对湿度下Cd_0.85PS₃Li_0.15H_0.15纳米片组装膜及其离子传输性能 来源：Science

 

中国量子计算原型机“九章”问世

 

中国科学技术大学宣布潘建伟团队与中国科学院上海微系统研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

 

 

光量子干涉实物 来源：新华网

 

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2020年中国重大工程进展

 

“中国天眼”验收开放取得一系列重大成果

 

中国500米口径球面射电望远镜（FAST）近1年观测服务超过5200个观测机时，取得一系列重大科学成果。

 

FAST已经启动了脉冲星测时阵列、漂移扫描多科学目标巡天等5个重大和优先项目。

 

未来3~5年，FAST的高灵敏度将有可能在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿方向取得突破。

 

 

500米口径球面射电望远镜（FAST） 来源：中国科学院

 

无人潜水器和载人潜水器取得新突破

 

“海斗一号”全海深自主遥控潜水器在马里亚纳海沟完成万米海试，最大下潜深度达10907 m，刷新中国潜水器最大下潜深度纪录，填补了中国万米作业型无人潜水器的空白。

 

 

“海斗一号”布放 来源：中国科学院沈阳自动化研究所

 

“奋斗者”号载人潜水器在马里亚纳海沟成功坐底，坐底深度10909 m，中国在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。

 

 

“奋斗者”号载人潜水器 来源：新华网

 

“北斗三号”最后一颗全球组网卫星发射成功

 

中国成功发射北斗系统第55颗导航卫星暨“北斗三号”最后一颗全球组网卫星，“北斗三号”全球卫星导航系统星座部署全面完成，中国北斗朝着完整服务全球的目标迈出关键一步。

 

 

“北斗三号”全球卫星导航系统最后一颗组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空 来源：新华社

 

中国首个火星探测器“天问一号”成功发射

 

中国成功发射首次火星探测任务“天问一号”探测器，火箭成功将探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了中国行星探测第一步。

 

此次火星探测是中国行星探测阶段的首次任务，也是中国深空探测领域全新的里程碑，有望一次实现“环绕、着陆、巡视”3个目标。

 

 

“天问一号”火星探测器发射升空 来源：人民网

 

中国最大直径盾构机下线

 

由中国铁建重工集团、中铁十四局集团联合研制的16米级超大直径盾构机“京华号”在中国铁建重工集团长沙第一产业园下线，这是中国迄今研制的最大直径盾构机。

 

未来中国根据不同需求还将继续加强超级掘进机、超大直径盾构机等新产品的研发，使盾构机真正从“中国制造”走向“中国创造”。

 

 

“京华号”盾构机 来源：新华网

 

“国和一号”和“华龙一号”两大三代核电技术取得新突破

 

中国自主设计的最大功率的核电机组“国和一号”完成研发，“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次达到临界状态。

 

两者均为中国具有完全自主知识产权的三代核电技术，这两大核电技术的新突破，标志着中国在三代核电技术领域跻身世界前列。

 

 

“华龙一号” 来源：“中国核能”微信公众号

 

中国最高参数“人造太阳”建成

 

中国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（HL-2M）正式建成放电，标志中国正式跨入全球可控核聚变研究前列，HL-2M将进一步加快人类探索未来能源的步伐。

 

HL-2M是中国规模最大、参数最高的“人造太阳”，是中国自主知识产权的模拟核聚变研究装置。

 

 

“中国环流器二号M”装置 来源：中国新闻网

 

世界首座高速铁路悬索桥开通

 

中国首座公铁两用悬索桥，同时是世界上运行速度最快、运行荷载最大、跨度最大的公铁两用悬索桥——连镇铁路五峰山长江大桥建成通车，标志着中国在高速铁路上率先引入悬索桥桥型，中国大跨度桥梁建造技术达到了世界领先水平。

 

 

五峰长江大桥 来源：中铁大桥局集团

 

“嫦娥五号”完成中国首次地外天体采样

 

“嫦娥五号”返回器带回月球风暴洋区域的钻取和表取样品，成功完成中国首次地外天体采样返回任务，使中国成为世界上第二个月球无人自主采样返回的国家，为中国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走发展战略画上圆满句号。

 

 

“嫦娥五号”返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆 来源：新华网

 

世界最强流深地核天体物理加速器成功出束

 

由中核集团原子能院和中国科学院近代物理研究所自主研制的世界上束流强度最高深地实验设施——锦屏深地核天体物理加速器成功出束，束流强度达到2 mA，综合性能达到国际同类装置先进水平。

 

标志着中国完全掌握强流高压加速器制造技术，并将进一步推动中国锦屏地下实验室成为面向世界开放的国家级基础研究平台。

 

 

强流高压加速器 来源：中国原子能科学研究院

 

本文作者：刘志远，祝叶华，徐丽娇，陈广仁

 

作者简介：刘志远，《科技导报》编辑部，副编审，研究方向为科技编辑学；陈广仁（通信作者），《科技导报》编辑部，编审，研究方向为科技哲学、科技评价。

 

论文全文发表于《科技导报》2021年第3期