2011年度中国科学十大进展

2021年7月4日13:59:11来源:中国科学院院刊2011年度中国科学十大进展已关闭评论408 views 5409字阅读18分1秒

1. 天宫一号与神舟八号成功实现交会对接

2011年9月29日和11月1日,我国分别成功发射了天宫一号目标飞行器和神舟八号飞船,11月3日和14日天宫一号与神舟八号先后成功完成了两次空间交会对接试验,神舟八号飞船返回舱于11月17日19时30分顺利返回地面,圆满实现了“准确进入轨道、精确交会对接、稳定组合运行、安全撤离返回”的任务目标。天宫一号与神舟八号交会对接的成功,标志着我国在突破和掌握空间交会对接技术上迈出了重要一步,实现了我国空间技术发展的重大跨越,这是我国载人航天事业发展史上的又一重要里程碑。

2. 利用强激光成功模拟太阳耀斑的环顶X射线源和重联喷流

太阳耀斑是离人类最近的天体剧烈释能现象之一,人们普遍认为其形成的可能机制是磁重联。这一认识的直接证据是在太阳耀斑中观测到的环顶X射线源。但由于天文观测本身的局限性,目前对这一现象的解释大多是定性和唯象的。中国科学院国家天文台赵刚研究组、中国科学院物理研究所和上海交通大学张杰研究组以及其他合作者,利用中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室的神光II号强激光与特殊构型靶相互作用,巧妙地构造了等离子体磁重联拓扑结构,在实验室中对太阳耀斑中的环顶X射线源和重联喷流进行了实验模拟,得到了与太阳表面发生的重联过程极为相似的实验结果,并通过磁流体标度变换理论证明两个系统的各项物理参数有惊人的相似性。对实验室重联区尺度特征研究发现激光等离子体磁重联区存在两个耗散区,其中离子耗散区的尺度与理论模拟一致,而电子耗散区尺度的实验结果要大于传统的理论值,这为理论探索磁重联电子耗散区尺度提出了挑战。这项工作证明了在强激光实验室对天文现象进行实验模拟研究的可行性,为天体物理问题的研究提供了一个新思路。相关研究论文发表在2010年12月Nature Physics [6(12):984—987]上。

3. 将小鼠成纤维细胞成功转化为功能性肝细胞样细胞

不依赖于供体肝脏器官的功能性肝细胞的获得是肝脏再生医学和疾病治疗的一个关键。已有的研究显示,可通过诱导胚胎干细胞或多能干细胞获得肝脏细胞。理论上肝病病人使用自己的由多能干细胞诱导产生的肝细胞可以避免免疫排斥反应。但从诱导性多能干细胞转化成肝细胞是一个复杂的过程,将很可能被新的技术所代替。过表达谱系特异性转录因子可直接将分化终端细胞转化成其它谱系的细胞,如神经细胞、心肌细胞和造血干细胞,但是这些转化获得的细胞在体内是否可以修复组织仍无法确定。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惠利健研究小组通过转入Gata4、Hnf1alpha和Foxa3转录因子和失活p19Arf基因将小鼠尾巴的成纤维细胞直接转化为功能性肝脏细胞样细胞(iHep)。这种细胞具有和体内肝脏细胞类似的上皮细胞形态、基因表达谱,且获得了肝脏细胞的功能,如肝糖原积累、乙酰化低密度脂蛋白的转运、药物代谢和吲哚绿的吸收等。特别是,将这种肝细胞样细胞植入模拟人类酪氨酸代谢缺陷肝病小鼠的肝脏,可恢复肝脏功能并挽回将近一半小鼠的生命。该结果为产生功能性肝脏细胞样细胞用于再生医学提供了新的策略。此外,iHep细胞在制药工业有关的药物毒理研究以及在基础医学和临床医学对多元性的肝脏疾病机理研究中也具有广泛的应用前景。相关研究论文发表在2011年7月21日Nature[475(7356):386—389]上。

4. 显微光学切片层析成像获取小鼠全脑高分辨率图谱

神经解剖结构被认为是理解脑功能及其功能紊乱的基础。然而,现有成像技术限制了在介观尺度上对全脑尺度神经环路进行成像。华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)骆清铭研究小组,研发出一种显微光学切片层析成像(MOST)系统,可对厘米级的整个小鼠大脑进行亚微米尺度的层析成像。他们利用MOST,获得了包含高尔基体的整个小鼠大脑的15380层像素分辨率为0.3×0.3微米的冠状断面图像。同时,他们利用具有高定位精度的三维移动平台,及在切片中采用对先采取到的信息进行验证分析的方法,对图像准确定位和预处理,实现了神经突起水平的小鼠全脑结构成像,获得了一套全脑组织切片图谱,可清晰分辨神经元的形态和空间位置以及神经突的走向,并可观察到相邻Purkinje细胞间的接触。这种介观水平的小鼠全脑神经解剖图谱,为数字化鼠脑结构和脑功能仿真研究提供了重要的基础性实验数据参考。相关研究论文发表在2010年12月3日Science[330(6009):1404—1408]上。

5. 设计出兼具低场高灵敏和高场大磁电阻的硅基磁电阻器件

已有的研究发现,在一些非磁性半导体中存在由非均匀性导致的磁电阻(IMR),特别是硅因其具有大的IMR效应和与磁场的线性依赖关系(虽然需要较高的磁场强度)而成为研究热点。许多理论研究认为材料中载流子迁移率的波动导致了IMR。清华大学材料科学与工程系章晓中研究组的研究显示,在轻微掺杂的硅中,通过空穴注入可显著增强IMR效应,并可通过施加一个电流而使IMR在低磁场下即可产生。在他们的器件中,非均匀性由一个p-n边界来提供,该边界两侧的电导分别由少数电荷载流子(空穴)和多数电荷载流子(电子)所主导。施加磁场可使边界区域的电流产生紊乱,从而产生大的磁电阻。由于这是一个本征的空间效应,因此该器件的几何特征可以被用于进一步增强IMR。他们设计的器件在室温对磁场非常敏感,并在低磁场下IMR有很大提高,在0.07特斯拉和0.2特斯拉下分别实现了10%和100%的磁电阻,因而对磁传感器工业将具有非常大的吸引力。特别是考虑到该器件是基于传统的半导体硅材料,因而这种器件还可以很方便地与传统的硅基微电子器件集成,从而推动传统金属基磁电子学向半导体基磁电子学特别是向硅基磁电子学的升级。相关研究论文发表在2011年9月15日Nature[477(7364):304—307]上。

6. 揭示梯度纳米晶铜本征塑性变形机制

梯度结构是指晶粒尺寸在空间上呈梯度分布。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室卢柯研究组利用表面机械碾磨处理在纯铜棒材表面成功制备出梯度纳米结构,自表及里晶粒尺寸由十几nm梯度增大至μm尺度,棒材芯部为粗晶结构(晶粒尺寸为几十μm),这种梯度纳米结构的厚度可达数百μm。梯度纳米结构层具有很高的拉伸屈服强度,最外表层50μm厚梯度纳米结构的屈服强度高达660MPa(是粗晶铜的10倍)。室温拉伸实验表明,具有梯度纳米结构的表层在拉伸中真应变高达100%时仍未出现裂纹,表明其拉伸塑性变形能力优于粗晶铜。这种优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构对应变集中的有效抑制和梯度纳米结构独特的变形机制。微观结构研究表明,梯度纳米结构在拉伸过程中其主导变形机制为机械驱动的晶界迁移,从而导致伴随的晶粒长大。这种变形机制与位错运动、孪晶、晶界滑移或蠕变等传统的材料变形机制截然不同。相关研究论文发表在2011年3月25日Science[331(6024):1587—1590]上。

7. 揭示Tet双加氧酶在哺乳动物表观遗传调控中的重要作用

高等动物中最普遍的DNA修饰是胞嘧啶甲基化成5-甲基胞嘧啶(5mC),它可以通过双加氧酶Tet家族进一步氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)。尽管在表观遗传调控中该过程发挥着重要的作用,但是这些胞嘧啶修饰如何被逆转仍不太清楚。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分子生物学国家重点实验室徐国良研究组与合作者,研究发现DNA的5mC和5hmC在体外和培养细胞中可被Tet双加氧酶进一步氧化成5-羧基胞嘧啶(5caC)。而5caC可被胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)特异识别并切除。老鼠胚胎干细胞中TDG的耗尽可导致5caC积累至可观测水平。上述研究结果表明,5mC可被Tet蛋白氧化为5hmC以至5caC,5caC又进一步被TDG识别和切除,进而通过DNA碱基切除修复途径替换为没有修饰的胞嘧啶,这构成了一条DNA去甲基化而活化的通路。相关研究论文发表在2011年9月2日Science[333(6047):1303—1307]上。此外,徐国良研究组还与李劲松研究组等合作者研究发现,Tet双加氧酶家族的Tet3可通过使受精卵中父本染色体DNA的5mC-甲基胞嘧啶修饰氧化变成5-羟甲基胞嘧啶hmC,进而促进了父本染色体DNA的去甲基化,在卵母细胞中父本基因表观遗传重编程中发挥重要作用。同时,缺失Tet3的卵母细胞明显降低了对注射进来的体细胞核的再编程能力。这表明,Tet3介导的DNA羟基化调控了受精卵内父本DNA表观遗传的重新编程以及随后的受精过程,而且也影响动物克隆过程中体细胞核的再编程。相关研究论文发表在2011年9月29日Nature[477(7366):606—611]上。

8. 利用化学气相沉积法制备出石墨烯三维网络结构材料

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室成会明研究组,采用兼具平面和曲面结构特征的泡沫金属为生长基体,利用化学气相沉积方法制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯体材料。他们研究发现,这种石墨烯体材料是由石墨烯以无缝连接的方式构成的全连通整体,集成了三维网络独特的形貌特征和石墨烯优异的物理化学性质,具有优异的电荷传导能力,其比表面积可达850m2/g,孔隙率可达99.7%,密度仅为5mg/cm3。这种方法具有可控性好、易于放大以及材料性能可调控的优点。采用基体卷曲方法在实验室即可制备出170×220 mm2及更大面积的石墨烯三维网络材料。他们还基于这种材料的三维网络结构制备出石墨烯/硅橡胶复合材料,在石墨烯含量仅为0.5wt%的条件下,其电导率可达10S/cm,高于基于高质量碳纳米管的复合材料的电导率。而且,这种复合材料具有很好的柔韧性和稳定性,在拉伸和弯折条件下仅有很小的电阻变化,在应力释放后可迅速恢复其原有的形貌和电阻值,可用作理想的弹性导体材料。这种三维网络体材料的制备极大地拓展了石墨烯的物性和应用空间,为石墨烯在柔性导电、导热、热管理、电磁屏蔽、催化、传感、储能及生物等领域的应用奠定了基础。相关研究论文发表在2011年6月Nature Materials[10(6):424—428]上。

9. 阐明冰期-间冰期印度夏季风变迁的动力学机制

作为地球气候系统中重要分量的印度夏季风环流,它以强烈的半球间水汽和热能传输为特征,它所携带的降水对包括我国西南在内的世界上近一半人口居住区的生存环境至关重要。现代印度夏季风已有较为深入的研究,但印度夏季风在冰期-间冰期尺度上如何变化、为什么变化却是一个亟待解决的科学难题,回答这一问题将有助于对印度夏季风变化机制以及我国乃至全球气候变化的深入理解。中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室安芷生研究组与中外合作者,运用中国大陆环境科学钻探工程在青藏高原东南缘鹤庆盆地获取的666 m湖泊沉积岩芯,利用古地磁、碳-14测年和轨道调谐手段,重建了更新世(过去260万年)印度夏季风变迁的历史;并通过印度夏季风变迁时间序列的精细结构及其与全球记录对比的深入分析,建立了冰期-间冰期印度夏季风动力学理论。该研究显示,更新世中期印度夏季风变率加大,主要受控于北半球冰量变化;而更新世早期和晚期印度夏季风变率较小,可视为南北半球气候相互作用的结果;并发现在冰期时,印度夏季风开始增强的时间先于冰量最大值产生的时间是南半球气温变化通过马斯克林高压而产生的气压推动的结果。这指示南北半球冰量和气温通过控制跨赤道气压梯度变化,驱动了冰期-间冰期印度夏季风的变迁。相关研究成果以Research Article形式发表在2011年8月5日Science [333(6043):719—723]上。Science同期专题评论认为“(鹤庆)古湖沉积物的分析对印度季风动力学机制的传统观点提出了挑战”。Nature China评论“这一印度夏季风的新观点对我们理解全球气候是重要的,同时也强调了全球变暖对季风变率的潜在影响。”该项成果是我国科学家领衔、联合中外科学家长期潜心研究、多学科集体攻关获得的原创性成果,也是中国大陆环境科学钻探工程研究的阶段性成果。

10. 实现碳纳米管的高效光伏倍增效应

碳纳米管材料不但是理想的纳电子材料,而且还是直接带隙材料,有望对于下一代光伏技术产生重要的影响。半导体性的单壁碳纳米管(SWCNT)具有不同寻常的原子和电子结构,这个结构导致了碳纳米管不同寻常的光电特性。如其高效的载流子倍增效应已被预测并被观测到,接近100%吸收的SWCNT薄膜也已见报道。其它一些特性如其高迁移率以及可与电子和空穴进行有效欧姆接触等,对于光伏应用都非常重要。然而,由半导体型SWCNT产生的光伏电压一般低于0.2V,这对于许多实际光伏应用来说显得不够。北京大学电子学系纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛研究小组的研究表明,通过在碳纳米管上引入虚电极,可高效地实现光伏电压的倍增。利用该方法,研究人员在一根10微米的碳纳米管上引入4个虚电极即在原来只可产生0.2V光电压的碳纳米管上产生了超过1.0V的光电压。相关研究论文发表在2011年11月Nature Photonics[5(11):672—676]上。

weinxin
扫码,关注科塔学术公众号
致力于成为国内领先的科研与学术资源导航平台,让科研工作更简单、更有效率。内容专业,信息准确,更新及时。
  • 版权声明 本文源自 中国科学院院刊 整理 发表于 2021年7月4日13:59:11
  • 转载请务必保留本文链接:https://www.sciping.com/36304.html
2013年度中国科学十大进展简介 科学传播

2013年度中国科学十大进展简介

一、中国科学家积极应对新发 H7N9 禽流感病毒取得重要进展 2013年2—3月间, 在中国上海和安徽首先发现有3位城市居民因接触活禽感染一种新型禽流感病毒而患急性进行性下呼吸道感染, 进而发生了一种...
2019年度中国科学十大进展 科学传播

2019年度中国科学十大进展

2020年2月27日,科学技术部高技术研究发展中心(基础研究管理中心)发布了2019年度中国科学十大进展:探测到月幔物质出露的初步证据、构架出面向人工通用智能的异构芯片、提出基于DNA检测酶调控的自身...
2018年中国科学十大进展 科学传播

2018年中国科学十大进展

“中国科学十大进展”遴选活动由科技部基础研究管理中心牵头举办,截至 2019 年已举办 14 届。本年度,《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》5 家编辑部共推荐...
2017年度中国科学十大进展 科学传播

2017年度中国科学十大进展

“中国科学十大进展”遴选活动由科技部高技术研究发展中心举办,截至2018年已举办13届。研究进展由《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》五家编辑部推荐,由两院院士...