2013年度"中国高等学校十大科技进展"入选项目-中国教育

2013年度“中国高等学校十大科技进展”入选项目介绍

一、化学小分子诱导体细胞重编程为多潜能性干细胞

传统观点认为，哺乳动物细胞只有在胚胎发育的早期具有分化为各种类型组织和器官的“多潜能性”，而随着生长发育成为成体细胞之后会逐渐丧失这一特性。人类一直在寻找方法让已分化的成体细胞逆转，使之重新获得“生命之初”的多潜能性，并将其重新定向分化成为有功能的细胞或器官，应用于治疗多种重大疾病。此前，通过借助卵母细胞进行细胞核移植或者使用导入外源基因的方法，体细胞被证明可以被“重编程”获得“多潜能性”，这两项技术还获得了2012年诺贝尔生理医学奖。但是，这两项技术具有伦理限制或潜在的遗传突变等风险，大大限制了其在再生医学中的进一步临床应用。

邓宏魁团队开辟了一条全新途径，首次使用小分子化合物诱导体细胞重编程成为多潜能干细胞，该种细胞被称为“化学诱导的多潜能干细胞（CiPS细胞）”。该方法摆脱了以往技术手段对于卵母细胞和外源基因的依赖，避免了传统重编程技术在应用上的缺陷。提供了更加简单和安全有效的方式来重新赋予成体细胞“多潜能性”，是体细胞重编程技术的一个飞跃。该成果于7月8日发表在国际学术权威杂志《Science》。这为未来细胞治疗甚至器官移植提供了理想的细胞来源，将极大地推动治疗性克隆——克隆组织和器官以用于疾病治疗——的发展。

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二、昼夜不对称增温对北半球陆地生态系统的影响研究

相比于白天，地球在夜晚时正以更高的速率变暖：在过去的50年里，日最低温度升高速度比日最高温度升高速度要快40%。然而，一直以来人们很少关注这种昼夜不对称增温对植被生长和生态系统功能的影响，成为当前的全球变化研究的一个空白点。为了解答这一问题，北京大学研究小组与中科院青藏所、法国科学院以及河南大学等单位合作，利用遥感数据、大气CO2浓度观测数据、以及气象数据，并结合大气反演模型，系统地研究了白天和晚上温度上升对北半球生态系统生产力和碳源汇功能影响及其机制。

研究发现，昼夜不对称增温对北半球生态系统碳源汇功能的影响显著，而且表现出明显的地带性规律。白天温度升高有利于大部分寒带和温带湿润地区植被生长及其碳汇功能，但并不利于温带干旱和半干旱地区植被生长。而夜间温度上升对植被生长的影响则与白天相反。这一发现纠正了过去普遍认为温度上升有利于北半球植被的生长、从而有利于提高生态系统碳汇功能的认识，为科学预测陆地生态系统长期动态变化研究提供了一个重要的理论基础。

该研究结果于2013年9月发表在Nature杂志，得到了国内外同行的高度评价。Nature杂志在同一期专门发表了一篇来自于全球生态学专家Dr. Still的评述，探讨了这项工作的重要性及其意义。

三、高速铁路跨区间无缝线路理论体系、关键技术及工程应用

跨区间无缝线路是用焊接长轨条连续铺设的轨道，彻底消除了钢轨接头，是保障高速铁路高平顺、低维修的核心技术。没有跨区间无缝线路，剧烈的轮轨作用将严重制约高速铁路发展。在研究之初，跨区间无缝线路面临与复杂气候适应性、长大桥及高架站协调性及安全服役可控性等关键难题。

北京交通大学高亮教授研究团队通过理论创新与技术突破，形成了具有自主知识产权的跨区间无缝线路理论与应用技术体系。创建了无缝道岔精细化分析理论及设计方法，攻克了大温差地区大号码道岔无缝化的技术难题；创立了无缝线路—长大桥梁空间耦合分析理论，突破了长大桥无法连续铺设无缝线路的技术瓶颈；自主研发了协同仿真系统，创建了高架站无缝道岔分析理论和设计方法，解决了高速铁路这一重大难题；构建了跨区间无缝线路监测、评估体系，填补了该领域空白。

该项目形成相关规范标准7项、并取得知识产权数十项，在国内外学术刊物上发表论著上百篇，专著《高速铁路无缝线路关键技术研究与应用》被专家认为“具有重要的学术价值及应用价值”。

研究成果整体处于国际先进水平，在国内多条高速铁路及泰国、伊朗等国铁路建设中获得广泛应用，经济效益显著，对我国乃至世界高速铁路大规模建设具有重要意义。

四、天河二号超级计算机系统

天河二号超级计算机系统峰值性能每秒5.49亿亿次，持续性能每秒3.39亿亿次，能效比每瓦特19亿次，名列2013年6月第41届国际超级计算机500强排行榜TOP500的第一名，并在11月第42届TOP500蝉联世界第一。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平对天河二号研制成功作出重要批示，并亲临学校视察了该系统。

项目起步于2009年，在国家自然科学基金委、国家“核高基”重大科技专项的支持下开始预先研究与关键技术攻关；2011年在国家“十二五”863计划“高效能计算机及应用服务环境”重大项目支持下开始工程实施，2013年5月完成研制任务。自主研制了3款芯片、4类结点、2套网及系统软件等核心构件，具有高性能、高能效、应用面广、易用性好和可用性高等显著特点。系统研制过程中取得了异构多态体系结构、微异构计算阵列、自主高性能CPU、支持十亿亿次级系统的自主定制高速互连网络、层次式加速存储架构、自主并行编程模型和多领域并行编程框架、多层次容错设计和一体化故障管理、综合化能耗控制等一系列核心关键技术突破，综合技术水平进入世界领先行列。

天河二号作为国家超级计算广州中心业务主机已投入运行，主要应用于大科学、大工程、产业升级和信息化建设等领域。

五、空间机械臂技术

空间机械臂安装在航天器外侧、暴露在太空，工作环境恶劣。它具有六维空间精确定位和手爪精细操作能力，是航天器在轨维修和维护的核心装备。哈尔滨工业大学刘宏教授带领的研究团队，在国家“863”计划支持下，十余年来从基础研究到关键技术攻关再到工程应用，在空间机械臂的设计、制造、装配、集成、测试与试验等取得重大进展。

发明了具有冗余容错，集机、电、热、控于一体的模块化关节，并在此基础上提出了可折叠机械臂构型，实现了最小空间的发射锁紧配置；发明了位姿大容差、结构紧固连、释放微干扰的轮廓渐进收拢式手爪，攻克了空间目标的分离和捕获技术瓶颈；建立了柔性关节的空间机械臂动力学模型，有效抑制了机械臂的末端残余抖动，实现了机械臂的精确定位；提出了动基座下动目标的相对运动预测方法，实现了浮动基座情形下大时延的运动目标自主视觉伺服跟踪；提出了重力环境下物理半物理相融合的方法，建立了模拟空间微重力的机械臂三维运动综合平台，攻克了机械臂地面测试的技术难题。

空间机械臂的在轨试验结果达到预期，各项指标满足要求，定位精度属于国际领先，填补了我国在该领域的空白，为空间机械臂在我国空间站建设、行星探测等领域的应用奠定了坚实基础。

六、星地激光链路试验

随着航天技术的发展，需要从卫星下传给人们的信息越来越多，传统的卫星微波通信技术已经遇到了信息传输的瓶颈问题。如果用激光光束在空间架设“光缆”，使高速信息从卫星传到地面，将极大地提高星间、星地的信息传输能力，有效地解决这一难题，这就是卫星激光通信技术，所建立的星地之间激光信息传输通道就是星地激光链路。

卫星激光通信具有通信容量大、传输距离远、保密性好等独特优点，采用该技术可以建立空中高速信息公路，为用户提供高清图像、多媒体等巨大容量的通信服务。这是一项具有极大难度和广阔应用前景的军民两用新技术，美欧日等进行了多年研究，已进入到空间试验阶段。

哈尔滨工业大学卫星光通信团队在马晶、谭立英教授带领下进行了二十多年的艰苦攻关，突破了卫星光通信关键技术。在国防科工局民用航天项目支持下，哈工大成功进行了海洋二号卫星与光通信地面站之间的星地双向激光通信，链路距离近2千公里，光束对准精度达到微弧度量级，相当于针尖对麦芒的百倍，实现了“对得准、捕得快、跟得稳、通得好”。这是我国首次星地激光链路试验，主要技术指标达到了国际领先水平。

该项试验的成功，标志着我国在空间高速信息传输方面取得了重大突破，是我国卫星通信发展史上新的里程碑！

七、量子反常霍尔效应的实验观测

拓扑绝缘体是一种新的量子物质。这种体绝缘材料的表面存在受拓扑性质保护的导电态。理论预言，在铁磁性拓扑绝缘体薄膜中会存在量子反常霍尔效应，即不需要外加磁场的量子霍尔效应。当薄膜处于量子反常霍尔态时，其体内是绝缘的，边缘存在无能量耗散的导电通道。实现这一效应不但在科学上具有重要意义，还有可能推动新一代低能耗电子学器件的发展，有可能推动信息技术的革命。

从2009年开始，清华大学薛其坤院士带领的、由清华大学王亚愚、陈曦、贾金锋和中科院物理所马旭村、何珂、吕力组成的实验团队，理论上与美国斯坦福／清华大学张首晟以及中科院物理所方忠、戴希合作，对量子反常霍尔效应展开实验攻关。他们利用分子束外延技术制备出了高质量拓扑绝缘体薄膜，利用半导体能带工程得到了理想的电子结构，通过对生长过程原子尺度上的控制得到了几乎绝缘的铁磁性薄膜-Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3，并首次在实验上观测到量子反常霍尔效应，即在美国物理学家霍尔1881年发现反常霍尔效应132年后终于实现了反常霍尔效应的量子化。该成果发表在2013年《科学》杂志上。量子反常霍尔效应的实验发现是凝聚态物理基础研究领域的一项里程碑式的发现，是我国对世界物理学发展所做出一项重要贡献。

八、过渡金属导致物质从反芳香性向芳香性的突变

芳香性是芳香化学的基石。芳香性物质从日常生活到高科技领域均应用广泛。而反芳香性物种因极不稳定，已成功分离的极少。实现物质从反芳香性到芳香性的转变，是一个有待突破的重要科学难题。

我国科学家通过在反芳香环内嵌入金属的方法，首次合成并分离出全新芳香性物质金属杂戊搭炔。该化合物挑战化学键极限，分子内含有小于130°的卡拜键角，过渡金属导致物质从反芳香性到芳香性的突变，两者均为颠覆传统概念的突破。代表作发表于《Nature Chemistry》今年第8期。该杂志同步发表以“Breaking the rules”为题的专评。《Nature China》、《Science News》、美国化学会《Noteworthy Chemistry》、我国基金委网站和俄罗斯化学新闻等发表了专评或报道。诺贝尔化学奖得主Roald Hoffmann对该成果也给予了高度评价。

此项原创性研究历经4年协同攻关，厦门大学夏海平教授为项目总负责人，朱军副教授为理论计算负责人，李顺华副教授负责产物的荧光性能研究，博士生朱从青为产物合成与结构表征的主要贡献者。参加该工作的还有多位厦门大学的其他师生。美国佐治亚大学Paul Schleyer教授参与了理论计算讨论。

夏海平课题组2013年度围绕金属杂芳香体系发表了十篇相关论文。这类新芳香体异常稳定、其光电特性与传统有机芳香体截然不同，在生物医学、光电材料和太阳能利用等领域应用前景广阔。

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九、纳米孪晶结构极硬立方氮化硼

超硬工具在现代加工业中发挥着愈来愈重要的作用。同时提高超硬工具材料的硬度、韧性和稳定性一直是科学界和产业界的共同追求。以燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君教授为首的中外科学家首先建立了多晶共价材料硬化的理论模型，发现在纳米尺度硬度应源于霍尔-佩奇效应和量子限域效应的共同贡献；随后他们通过具有类似俄罗斯套娃晶体结构的洋葱BN在高温高压下的马氏体相变合成了纳米孪晶立方氮化硼。该材料的硬度超过人工金刚石单晶，韧性优于商用硬质合金，抗氧化温度高于立方氮化硼单晶本身。同时他们还发现纳米孪晶立方氮化硼随孪晶厚度减小能够持续硬化到3.8纳米，突破了大家熟知的材料硬化的尺寸下限（约10纳米）。本研究发展的基本原理和合成技术同样适用于合成纳米孪晶金刚石及其复合材料，从此综合性能更加优异的系列刀具材料将会诞生，并将在机械加工、地质勘探、石油和天然气采掘等行业中发挥重要作用。

上述研究成果发表在2013年1月的Nature杂志上。Nature封面和目录页对论文进行了导读，导读题目“硬时代：现在立方氮化硼在其极硬态与金刚石相匹敌”形象而生动地介绍了该文，同时配发了合成样品的原图，众多著名的国际性学会、媒体和杂志对此也进行了报道。

十、H7N9禽流感的病原学及临床诊治研究

2013年我国突发H7N9禽流感重大疫情，李兰娟院士团队全力应对，艰苦攻关，基础与临床相结合，取得了重大成果。

对H7N9病毒起源、分子结构和特征研究获得重大发现，在国际上首次证实活禽市场是H7N9禽流感的源头，首次发现H7N9关键基因突变导致病毒从禽向人传播，首次发现“细胞因子风暴”是导致H7N9感染重症化的关键原因，研究成果第一时间在国际顶级医学期刊《柳叶刀》上头版头条发表，为政府决策和干预，控制传染源提供了科学依据，收到显著成效，短时间内遏制了新发病例增加，也为全球H7N9禽流感防治提供了指南。

系统地提出了“四抗二平衡”治疗策略，创造性运用人工肝技术阻断“细胞因子风暴”，控制严重炎症反应，救治H7N9禽流感重症患者，取得显著成效，极大地降低了病死率。救治效果得到了国家领导人的充分肯定和高度评价。

及时总结H7N9禽流感临床诊治成果和经验，并在世界著名的《新英格兰医学杂志》上发表，向全球首次揭示H7N9禽流感的临床特征和发病规律，首次提出人工肝治疗危重症H7N9病例的适应症。

成功研制了我国首个H7N9病毒疫苗株，改变了我国一直以来流感疫苗株依赖国外进口的历史，标志我国已具有自主研发流感疫苗的能力，并可向国际提供优质的流感疫苗种子株，为全球控制流感作出贡献。

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