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2016年中国重大科学、技术和工程进展(技术篇)

科技导报2017年2月21日 9:29 点击:1210

本着分门别类、本刊推荐、专家遴选、宁缺毋滥、叙述事实的原则,从国内外重要科技期刊和科技新闻媒体所报道的中国科技成果中,按科学、技术、工程3 个类别,由《科技导报》编辑部遴选、推荐候选条目,经《科技导报》编委、审稿人等专家通信评选,推选出2016 年度中国重大科学、技术、工程进展30 项。2016 年中国重大技术进展10 项:新型钴基催化剂可将CO2高效清洁转化为液体燃料;中国“智造”软件成功解决肿瘤定位难题;实现零容量信道量子信息的有效传输;实现煤基合成气一步法高效生产烯烃;全球首例单分子电子开关器件问世;中国首次实现卫星“空中加油”;推力最大固体火箭助推发动机试车成功;让隐形战机显形的量子雷达研制成功;“神威·太湖之光”问鼎世界超算冠军;发明病毒直接转化疫苗新技术。

1)新型钴基电催化剂可将CO2转化为液体燃料

将CO2在常温常压下电还原为碳氢燃料,是一种潜在的替代化石原料的清洁能源策略,有助于降低CO2 排放对气候造成的不利影响。实现CO2电催化还原的关键瓶颈问题是将CO2活化为CO2·—自由基负离子或其他中间体,这需要异常高的过电位。最近报道显示基于金属氧化物还原得到的金属比通过其他方法制备的金属催化活性要高,但尚不清楚金属氧化物如何改变金属的电催化活性,这主要是因为界面和缺陷等微结构的存在影响了CO2还原的活性。

为评估金属和金属氧化物2种不同催化位点的作用,中国科学技术大学谢毅和孙永福研究组制备了4原子厚的钴金属层和钴金属/氧化钴杂化层,发现在低过电位下,相对于块材表面的钴原子,原子级薄层表面的钴原子具有更高的生成甲酸盐的本征活性和选择性(图1)。而部分氧化的原子层进一步提高了它们的本征催化活性,在过电位仅为0.24 V 实现了10 mA/cm2 的电流输出超过40 h,且其甲酸盐选择性接近90%,这超过此前报道的金属或金属氧化物电极在同等条件下得到的结果。相关研究结果发表在2016年1月7日《Nature》[529(7584):68-71]。

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图1 4 原子厚的钴金属层和钴金属/氧化钴杂化层制备路线图(图片来源:《Nature》)

该研究工作有助于让研究者重新思考如何获得高效和稳定的CO2电还原催化剂,将有助于减少CO2的排放,缓解全球变暖。

2)中国“智造”软件成功解决肿瘤定位难题

肿瘤精准定位是放疗的关键问题之一。放疗位置偏差不仅会导致肿瘤细胞不能被有效杀灭,还会增加正常细胞被破坏的风险。目前国产图像引导放疗系统采用单一模式引导,在应用范围和适用病例方面受到较大限制。而国外同类产品价格昂贵,极大地限制了中国精准放射治疗的普及。

2016 年1 月17 日报道,中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所成功研发出多模式图像引导精准放射治疗软件系统(ARTS-IGRT,图2),系统发展了X射线影像配准、基于红外信号的实时定位跟踪等方法技术,可以实现亚毫米级的肿瘤定位,比原有系统精度提高了一个量级,达到国际最先进商用产品水平,打破国外产品垄断地位。

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图2 中国“智造”多模式精准放疗系统ARTS-IGRT(图片来源:中国科学院合肥物质科学研究院)

ARTS-IGRT 系统具有低成本、方便快捷的外挂方式,因此能够与医院已有放疗设备进行无缝对接,有助于迅速提高现有设备的照射精度和治疗效果,对于提高中国放疗装备的技术水平和在临床机构的普及程度,解决患者看病难、看病贵的问题具有重要作用,目前已获两项国家发明专利。

3)实现零容量信道量子信息的有效传输

信道容量是指信道在噪声环境下有效传输信息的能力,是通信领域最基本的问题。量子信道不仅可以传输经典信息,还可以传输私密信息和量子信息,每种情况对应一个信道容量。标准的量子信道理论与经典理论相似,都是假定信道之间是相互独立的,但真实的量子信道并非如此。

中国科学院量子信息重点实验室李传锋、许金时研究组及其合作者,选择具有极强的相位消相干、原本不能用来有效传输量子信息的保偏光纤进行深入研究,利用量子通信领域最近发展的理论工具来度量光纤的信道容量。首先实验测定一根120 m左右长度的保偏光纤的量子容量为零,随后对2根相同的保偏光纤进行编码,构成一个量子信道干涉仪,从而把量子容量为零的保偏光纤激活。激活后两2个保偏光纤不再独立,而是相互关联起来构成一个无消相干子空间,从而有效地进行量子信息传输。为了提高光纤噪声的关联度,将2根光纤缠绕在一起,实验测得2根量子容量为零的保偏光纤联合使用时的量子容量大于0.6(理想的量子信道容量为1)。量子信道干涉仪内有2个输入口和2个输出口,通过改变干涉仪内半波片的设置,可以实现量子信息在噪声信道中的单向传输或双向传输(图3~图4),还进一步验证了量子纠缠在这种装置下传输的可靠性。相关研究成果2016年1月8日发表在《ScienceAdvances》[2(1): e1500672-e1500672]。

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图3 实验装置(图片来源:《Science Advances》)

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图4 标准量子信道理论(a)与干涉激活技术(b)的对比(图片来源:《Science Advances》

该成果演示了一种在噪声信道中传输量子信息的有效方法,可用于不同量子系统的通信和对接,为构建小型量子纠缠网络提供了新思路,为丰富量子通信理论框架提供了新的物理平台。

4)实现煤基合成气一步法高效生产烯烃

烯烃是与人们日常生活息息相关的重要化学品。中国是烯烃消费大国,其传统的生产原料主要依赖石油,这不仅使烯烃的生产成本居高不下,同时也严重危及到了能源安全。20世纪初,德国科学家费舍尔和拓普希提出了一条由煤经水煤气变换生产烯烃的Fischer-Tropsch(F-T)过程,但是,该过程原理上会产生大量的副产物,同时还需要消耗大量的水,严重阻碍了该技术发展和实际应用。

中国科学院大连化学物理研究所包信和和潘秀莲研究团队从纳米催化的基本原理入手,开发出了一种过渡金属氧化物和有序孔道分子筛复合催化剂,成功实现了煤基合成气一步法高效生产烯烃,C2到C4低碳烯烃单程选择性突破了F-T 过程的极限,一跃超过80%。同时,反应过程完全避免了水分子的参与,从源头回答了李克强总理提出的“能不能不用水或者少用水进行煤化工”的诘问。该成果在纳米尺度上实现了对分别控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心的有效分离,使在氧化物催化剂表面生成的碳氢中间体在分子筛的纳米孔道中发生受限偶联反应,成功实现了目标产物随分子筛结构的可控调变(图5)。相关研究结果发表在2016年3 月4 日《Science》[351(6277):1065-1068]。

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图5 CO 活化和中间体偶联等2 种催化活性中心有效分离反应过程示意(图片来源:中国科学院大连化学物理研究所)

5)研制出首个真实稳定可控的单分子电子开关器件

利用单分子构建电子器件对突破目前半导体器件微小化发展的瓶颈意义重大。实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键。自20世纪70年代以来,设计构筑稳定可控的单分子器件,探索其与微电子工艺的兼容性,并获得真正意义上的分子电子开关,在当代纳米电子学研究中具有重大的科学意义。

北京大学北京分子科学国家实验室郭雪峰研究组原创性地发展了以石墨烯为电极、通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法,解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题。在此基础上,他们与北京大学电子学系徐洪起研究组以及美国宾夕法尼亚大学Nitzan等合作,通过功能导向的分子工程学成功地克服了二芳烯分子与石墨烯电极间强耦合作用的核心挑战性问题,从而突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件,世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件在中国诞生(图6)。石墨烯电极和二芳烯分子稳定的碳骨架以及牢固的分子/电极间共价键链接方式使这些单分子开关器件具有空前的开关精度、稳定性和可重现性,在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。相关研究结果发表在2016 年6 月17 日《Science》[352(6292):1443-1445]。

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图6 可逆型石墨烯-二芳烯-石墨烯桥联体结构的单分子光电子开关工作原理

示意(图片来源:《Science》)

6)中国首次实现卫星“空中加油”

卫星在轨加注类似飞机空中加油,通过直接传输的方式对卫星进行气、液补给,可大幅延长卫星在轨寿命,提高卫星机动能力。据测算,如果给静止轨道上的卫星补给60 kg燃料,即可延长卫星寿命12个月,创造近亿元的经济价值。因此,卫星在轨加注一直是国际航天领域的研究热点,目前仅有美国等极少数国家开展过此项试验。

2016年6月25日20时00分,由国防科技大学自主设计研制、中国首个卫星加注飞行试验系统——“天源一号”搭载长征7号运载火箭(图7),在文昌卫星发射中心发射升空,准确进入预定轨道。随后几天,“天源一号”根据预定计划进行了卫星在轨加注核心关键技术试验与验证,成功完成微重力条件下流体管理与加注、高精度推进剂测量等9项在轨试验,获取了3种贮箱加注全过程的完整视频和相关试验数据,加注过程稳定,测量与控制精度高,实测结果满足设计指标要求,为中国掌握卫星在轨加注技术奠定了坚实基础。

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图7 天源一号随长征七号运载火箭升空(图片来源:新华网)

近年来,国防科技大学联合国内多家优势单位,对“卫星在轨加注技术”进行了深入系统研究,在“微重力条件下流体迁移及稳定性分析”等理论研究方面取得重要突破,先后攻克卫星可靠对接、管路高效密封、推进剂稳定传输及精确测量等一系列关键技术,研制出30余台套地面原理样机,获得发明专利20余项,部分技术指标达到国际先进水平。

7)推力最大固体火箭助推发动机试车成功

随着人类和平利用太空步伐的不断加快、深空探测领域的进一步拓展,世界主要航天大国都在致力于加快发展重型运载火箭技术和捆绑固体助推器的大型运载火箭技术。由于固体助推发动机具有结构简单、可靠性高和机动性好等优势,采用固体助推器与液体芯级发动机组合,可以充分发挥固体大推力、液体长时间高比冲的技术优点,从而实现运载火箭动力系统技术性与经济性的完美结合。国外大型运载火箭大都把固体动力作为主要动力之一,而中国在此领域尚属空白,与国际先进水平差距明显。

2016年8月2日,由中国航天科技集团四院自主研制的中国直径最大、装药量最大、推力最大的固体火箭发动机——民用航天三米两分段大型固体火箭助推发动机地面热试车圆满成功(图8)。试验的成功,进一步验证了中国大型分段式固体火箭发动机设计方案及其关键技术,标志着中国已经掌握大型固体火箭助推发动机关键技术,也表明中国新一代运载火箭固体助推技术又向前迈进了一大步。

2016年中国重大科学、技术和工程进展(技术篇)

图8 直径三米两段技术验证发动机(图片来源:央视新闻)

2013 年底,民用航天三米两分段大型固体助推技术集成演示验证项目正式获得国家立项。攻克了大直径固体发动机燃烧室分段对接技术、长时间工作喷管热结构设计技术、分段式固体发动机燃烧稳定性技术等多项重大关键技术及40余项技术难点,采用并验证了新工艺10余项,建立了新的测试与试验方法20余项,形成技术专利10多项。未来,三米发动机应用于重型运载火箭固体助推器中,可实现近地轨道运载能力达到100 t以上,满足中国载人登月、深空探索的发展需求。

8)中国首部基于单光子检测的量子雷达研制成功

量子雷达探测技术是近年来国内外的研究热点,在雷达探测与成像识别领域具有重要的军事应用价值。2016年9月12日报道,中国首部基于单光子检测的量子雷达系统研制成功。

该量子雷达系统由中国电子科技集团14所研制,在中国科学技术大学、中国电子科技集团27所及南京大学等协作单位的共同努力下,完成了量子探测机理、目标散射特性研究以及量子探测原理的实验验证,并且在外场完成了真实大气环境下的目标探测试验,获得百公里级探测威力,探测灵敏度极大提高,指标均达到预期效果,取得阶段性重大研究进展与成果。

鉴于量子态传播所具有的特性,该量子雷达利用量子态作为信息的载体,从而有效降低系统的功耗,可以应用于多种轻型平台;其次,以量子态作为接收对象,利用量子态特性,可以丰富目标的探测手段,提高对低可见目标的探测性能。利用量子态具有的高阶相关性,可以通过量子态关联抑制杂波干扰,同时在现阶段复杂电磁环境下具有较强的可靠性、保密性。总之,利用量子态所具有的特性,可以解决传统雷达在低可见目标的检测、电子战条件下的生存、平台载荷限制等诸多方面的瓶颈问题,从而全方面提升雷达的各项性能指标(图9)。

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图9 量子雷达的技术优势(图片来源:观察者网)

9)“神威·太湖之光”问鼎世界超算冠军

在2016年6月20日德国法兰克福国际超算大会(ISC)公布的全球超级计算机500强榜单中,国家并行计算机工程技术研究中心研制、使用中国自主芯片制造的“神威·太湖之光”(图10~图11)以超第2名近3倍的运算速度夺得第一,取代“天河二号”登上榜首,中国超算上榜总数量也有史以来首次超过美国名列第1。

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图10 “神威·太湖之光”超级计算机(图片来源:新华网)

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图11 “神威·太湖之光”所使用的“申威26010”众核处理器(图片来源:新华网)

2016年11月14日,新一期全球超级计算机TOP500榜单公布,“神威·太湖之光”以较大的运算速度优势蝉联冠军。算上此前“天河二号”的六连冠,中国已连续4年占据全球超算排行榜的最高席位。

2016年11月18日,在美国盐湖城举行的2016年全球超级计算大会上,由中国科学院软件研究所、清华大学、北京师范大学、国家并行计算工程技术研究中心和国家超级计算无锡中心和完成称的应用成果“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”一举获得国际高性能计算应用领域最高奖——戈登贝尔奖(ACM Gordon Bell Prize),实现了中国高性能计算应用在此奖项上零的突破,成为中国高性能计算应用发展的一个新的里程碑。

“千万核可扩展全球大气动力学全隐式模拟”应用团队设计并开发了一种新的用于大气动力框架的高可扩展全隐式求解器,世界上首次在大规模异构系统上实现了高效和千万核可扩展的全隐式求解,并将模拟分辨率提升至500 m以内,未来有望应用于全球高分辨率气候模拟和高精细数值天气预报。

该课题在应用与算法两个层面实现了重大突破。在应用层面,大气动力过程的模拟速度较美国地球物理流体力学实验室(GFDL)开发的美国下一代大气模拟系统AM3的计算效率提升近1个数量级,全隐式求解方法是未来超高分辨率大气模式构建的一种新选择;在算法层面,实现了目前世界上第一个可扩展到千万核、峰值效率超过6%的隐式求解器,较2015年戈登贝尔奖获奖工作在并行度和峰值效率上均提升一个数量级。

10)发明病毒直接转化疫苗新技术

流感、艾滋病、SARS和埃博拉出血热等致命性传染病及其周期性爆发,时刻危害着人类健康和社会稳定,其幕后黑手是结构多样、功能复杂且变异快速的病毒,而疫苗是预防病毒感染的有效手段。当前临床使用的疫苗或因病毒灭活致免疫原性和安全性差,或因制备工艺复杂而不通用,或因病毒突变致免疫逃逸失效,从而使人们往往谈病毒色变。

北京大学药学院天然药物及仿生药物国家重点实验室周德敏、张礼和团队以流感病毒为模型,发明了人工控制病毒复制从而将病毒直接转化为疫苗的技术(图12),该技术在保留病毒完整结构和感染力的情况下,仅突变病毒基因组的一个三联码,使流感病毒由致命性传染源变为了预防性疫苗,再突变3个以上三联码,病毒由预防性疫苗变为治疗病毒感染的药物。并且随着三联码数目的增加而药效增强,该技术不仅使疫苗研发不再复杂,而且摆脱了对病毒生物学知识获得的依赖,并适用于几乎所有病毒。这一发现颠覆了病毒疫苗研发的理念,成就了活病毒疫苗的重大突破。相关研究成果2016年12月2 日发表在《Science》[354(6316):1170-1173]。

2016年中国重大科学、技术和工程进展(技术篇)

图12 重组病毒流程(图片来源:《Science》)

(责任编辑 刘志远


本文作者:陈广仁,刘志远,田恬,祝叶华

作者单位《科技导报》编辑部

本文发表在2017年第3期《科技导报》,欢迎关注。


(来源: 科技导报 )


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