科技 | 14项!中科院2021年度科技创新亮点成果发布

来源:作者: 2022-01-13614

近年来,中国科学院在社会各界的大力支持下,在全院科研人员的共同努力下,重大科技成果不断产出,并持续通过成果转移转化服务国民经济主战场。经中科院有关职能部门和专家推荐,同时参考广大网民意见,中科院2021年度科技创新亮点成果已最终确定,现予以正式发布。

  近年来,中国科学院在社会各界的大力支持下,在全院科研人员的共同努力下,重大科技成果不断产出,并持续通过成果转移转化服务国民经济主战场。经中科院有关职能部门和专家推荐,同时参考广大网民意见,中科院2021年度科技创新亮点成果已最终确定,现予以正式发布。

  中科院2021年度科技创新亮点成果共14项,分别为:

  1.低温制冷研究方面取得重要进展

  完成单位:中国科学院理化技术研究所、物理研究所

  由中国科学院理化技术研究所承担的国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”于2021年4月通过验收及成果鉴定,标志着我国具备了研制液氦温度(零下269摄氏度)千瓦级和超流氦温度(零下271摄氏度)百瓦级大型低温制冷装备的能力。项目取得一系列核心技术突破,在应用和成果转化方面也取得重要进展,打造了“边研究、边应用、边转化”的发展模式。百瓦级大型制冷机成功实现应用,包括用于宁夏盐池液化天然气闪蒸气提氦项目、中科院高能物理研究所超导磁体测试平台,以及出口应用于韩国核聚变大科学装置(KSTAR)等,得到用户广泛认可,支撑了相关行业发展。

  无液氦稀释制冷机有别于传统的湿式稀释制冷机,无需使用大量稀缺资源液氦辅助降温,样品空间大、连续运行时间长且运维方便,在最近十年迅速普及成为主流。中科院物理研究所团队攻克了无液氦稀释制冷机热交换器制作等多项核心技术,完全自主研制的无液氦稀释制冷原型机已实现10.9mK的长时间稳定连续运行,单冲程模式可达8.7mK,达到国际主流产品水平。该技术突破有望为我国量子计算等前沿研究提供低温条件保障。

  

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  验收专家现场考察大型低温制冷设备

  2.新冠肺炎抗疫科研工作取得系列重要进展

  完成单位:中国科学院微生物研究所、武汉病毒研究所、生物物理研究所、上海药物研究所、上海科技大学、中国科学技术大学、北京基因组研究所

  中国科学院2021年在新冠肺炎疫苗、药物研发及新冠病毒数据库建设等方面取得重要进展。

  在疫苗研发方面,与企业联合研发的新冠病毒重组亚单位蛋白疫苗成为国内第四款获批临床紧急使用的新冠病毒疫苗,也是国际上第一个获批临床使用的新冠病毒重组亚单位蛋白疫苗;与企业合作研发的两种新冠病毒灭活疫苗获批在国内附条件上市,其中一种获世卫组织批准通过紧急使用认证;与企业联合研发的重组新冠病毒融合蛋白疫苗完成二期临床试验。

  在药物研发方面,研发的针对新冠病毒关键靶标主蛋白酶的候选新药FB2001在美获批开展临床试验;与企业共同研发的针对新冠病毒关键靶标RNA聚合酶的候选药物VV116获批在中国开展临床试验,在乌兹别克斯坦开展临床使用许可;研发的临床“托珠单抗+常规治疗”免疫治疗方案获得英国国家卫生研究所授权,作为新冠重症患者首选药物应用。

  在病毒数据库建设方面,2019新型冠状病毒信息库(RCoV19)上线以来,已收录全球范围内超689万条非冗余的基因组序列信息,收集新冠病毒相关文献情报22.8万篇,为全球179个国家或地区近140万余访客提供数据服务,累计数据下载近21.3亿次,始终保持全球最新最完整的新冠病毒基因组数据动态更新。

  3.中国“人造太阳”实现1.2亿度101秒等离子体运行

  完成单位:中国科学院合肥物质科学研究院

  2021年5月,有中国“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。12月底,EAST又实现电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体运行1056秒,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。这些纪录进一步证明核聚变能源的可行性,也将为迈向商用奠定物理和工程基础。

  目前,EAST装置是国际上唯一具备与国际热核聚变实验堆(ITER)类似加热方式和偏滤器结构的磁约束核聚变实验装置,也是唯一能在百秒量级条件上全面演示和验证ITER未来400秒科学研究的实验装置,其系列创新成果和技术积累将为我国自主建造聚变工程实验堆提供坚实的科学技术基础。

  

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  EAST物理实验成果现场

  4.全球首颗可持续发展科学卫星成功发射运行

  完成单位:中国科学院空天信息创新研究院、国家空间科学中心、上海微小卫星创新研究院等

  2021年11月5日,全球首颗专门服务联合国2030年可持续发展议程的科学卫星“可持续发展科学卫星1号”(SDGSAT-1)成功发射。该星的发射是纪念我国恢复联合国合法席位50周年系列活动之一。

  SDGSAT-1卫星由中国科学院“地球大数据科学工程”先导专项研制,是可持续发展大数据国际研究中心规划的首发星。该卫星搭载了热红外、微光和多谱段成像仪三个有效载荷,并设计了多种数据获取模式和星上定标模式,可以实现对人类活动与自然环境相互作用过程的精细刻画,满足服务全球可持续发展的数据获取效率和定量化探测需求。12月20日,SDGSAT-1首批影像在京正式发布,包括我国长三角、山东半岛、西藏纳木错、新疆阿克苏、北京、上海及法国巴黎等多个地区和城市的微光、多谱段与热红外成像仪影像。

  目前,SDGSAT-1处于在轨测试阶段,各项功能正常,性能指标满足任务要求。在轨正常运行后,卫星将为可持续发展目标的监测、评估和科学研究提供持续稳定的全球数据支撑。未来,该星的数据产品将提供全球共享,为落实2030年可持续发展议程、推动构建人类命运共同体和“全球发展倡议”做出贡献。

  

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  北京市微光遥感卫星影像图

  5.自研无人潜水器成功用于深渊极地科考

  完成单位:中国科学院沈阳自动化研究所等

  由中国科学院沈阳自动化研究所主持研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器,在马里亚纳海沟成功完成多次连续、稳定、可靠的万米下潜,并实现科考应用。“海斗一号”在国际上首次实现了对“挑战者深渊”西部凹陷区的大范围全覆盖声学巡航探测,获取了珍贵的深渊海底地形地貌图像,并以遥控模式创造了我国潜水器在万米海底连续工作时间纪录(超10小时),以自主模式创造了万米海底连续巡航时间(超8小时)、万米航行距离(超14公里)和最大下潜深度(10908米)等多项世界纪录。

  同样由沈阳自动化所主持研制的“探索4500”自主水下机器人(AUV)成功完成北极科考应用,获取了近底高分辨多波束、水文及磁力数据,为北极深海相关前沿科学研究提供了一种先进的探测技术手段。这是我国首次利用自主水下机器人在北极高纬度地区开展近海底科考应用,其成功下潜为我国不断深化对北极洋中脊多圈层物质能量交换及地质过程的探索和认知获取了重要数据资料,也将为我国深度参与北极环境保护提供重要科学支撑。

  

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  “海斗一号”

  

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  “探索4500”

  6.探索极端宇宙取得重要突破

  完成单位:中国科学院高能物理研究所等

  中国科学院高能物理研究所牵头的国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO)和中国首颗X射线天文卫星“慧眼”在探索极端宇宙方面取得重要突破。

  LHAASO在银河系内发现了12个超高能宇宙线加速器,并记录到能量达1.4拍(千万亿)电子伏的伽马光子,这是人类迄今观测到的最高能量光子。同时,还精确测量了被称为高能天文学“标准烛光”的蟹状星云的亮度,最高能量超过1拍电子伏,达到了人工加速器最高电子束能量的两万倍左右。相关成果分别发表在《自然》和《科学》杂志上。这些成果开启了“超高能伽马天文”观测时代,被誉为研究高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑。

  “慧眼”卫星发现首个与快速射电暴相关联的X射线暴来自银河系内的一颗磁陀星,并在国际上首先证认该X射线暴包含的两个X射线脉冲是快速射电暴的高能对应体,证明磁陀星可以产生快速射电暴,破解了快速射电暴的起源之谜。该成果发表在《自然-天文学》上。

  

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  LHAASO测到的12个拍电子伏加速器以及最高能量光子示意图

  7.从二氧化碳到淀粉的人工合成研究取得原创性突破

  完成单位:中国科学院天津工业生物技术研究所

  2021年9月,中国科学院天津工业生物技术研究所在《科学》杂志发表重大研究成果,在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。研究团队利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六化合物,再进一步合成直链和支链淀粉。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础,有望对粮食生产产生革命性影响,对生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。该成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离。

  在中科院重点部署项目、天津市财政专项支持下,天津工生所联合中科院大连化学物理研究所等单位集中力量攻坚克难,探索了一条跨单位、跨领域联合攻关,通过项目制、工程化的管理方式开展基础研究的科研组织新模式。

  

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  人工合成的淀粉样品

  8.成功证明凯勒几何两大核心猜想

  完成单位:中国科学技术大学

  中国科学技术大学几何与物理研究中心创始主任陈秀雄与合作者程经睿在偏微分方程和复几何领域取得“里程碑式结果”,他们解出了一个四阶完全非线性椭圆方程,成功证明“强制性猜想”和“测地稳定性猜想”这两个国际数学界60多年悬而未决的核心猜想,解决了若干有关凯勒流形上常标量曲率度量和卡拉比极值度量的著名问题。两篇论文发表于国际著名刊物《美国数学会杂志》。同行专家评论上述工作“属于凯勒几何里最重要结果中的上乘之作”“必将成为几何和分析两个领域经典”。

  陈秀雄近年来在偏微分方程和复几何领域取得了一系列重要进展,改变了该领域的面貌;他与王兵合作证明了法诺凯勒里奇流极限的弱紧性,继而与孙崧和王兵合作证明了极限的唯一性,并给出了丘成桐猜想的一个基于凯勒里奇流的新证明。

  

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  论文在线发表

  9.ADS超导直线加速器样机实现百千瓦高功率连续束流稳定运行

  完成单位:中国科学院近代物理研究所

  加速器驱动核能系统(ADS)可高效解决核电安全、清洁、可持续发展所面临的核燃料循环利用和核废料安全处理问题,为实现“双碳”目标提供有效解决方案。实现该系统首先要具备的关键装置就是“粒子束大炮”——强流高功率加速器。中国科学院近代物理研究所坚持自主创新,经过十年科技攻关成功研制了ADS超导直线加速器样机(设计能量20兆电子伏特),并在国际上首次实现了10毫安连续波质子束加速和百千瓦、百小时稳定运行,最高束流功率达205千瓦,可用性好于93%。这一工作将连续波束流强度较原有世界最好指标提高近5倍,确立了我国在该领域的领先优势,也标志着我国科学家推动国际强流质子超导直线加速器实质性进入10毫安连续波稳定运行时代。这是自上世纪八十年代ADS概念提出以来,“粒子束大炮”流强首次达到可工业化应用的指标,将推动ADS概念从梦想走进现实。

  

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  ADS超导直线加速器样机

  10.保护性耕作技术“梨树模式”支撑东北黑土保护

  完成单位:中国科学院东北地理与农业生态研究所、沈阳应用生态研究所等

  以“梨树模式”为代表的保护性耕作技术的核心是秸秆覆盖少免耕,它可有效减少风蚀水蚀,增强土壤抗旱保水性,防治土壤退化,逐步培肥土壤。中国科学院相关研究所作为保护性耕作梨树模式的发起及核心研发团队,联合相关研究与推广单位,历经15年先后总结研发了保护性耕作四大主体技术体系,即秸秆覆盖免耕技术、秸秆覆盖宽窄行免耕技术、秸秆覆盖垄作少耕技术、秸秆覆盖条耕技术;研制出高性能免耕播种机、秸秆覆盖条耕机等配套机具;为东北地区保护性耕作技术示范推广提供了适宜的技术模式及配套机具。

  通过产学研政用多维度一体化示范推广,2020年东北保护性耕作推广面积达到7100万亩,有效降低了示范区土壤侵蚀和退化。研发的免耕播种机不仅能够实施秸秆覆盖下的免耕播种,而且在播种施肥精度、出苗率及苗整齐度上也有质的提升,出苗率平均提高5个百分点,亩增产5%以上。据不完全统计,目前东北地区免耕播种机市场保有量8万台,年完成播种面积7500万亩以上。

  

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  免耕播种机在作业中

  11.中科院多项科技成果助力北京冬奥

  完成单位:中国科学院过程工程研究所、中国科学技术大学科大讯飞股份有限公司、赣江创新研究院、西北生态环境资源研究院、空天信息创新研究院等

  中国科学院多家单位利用自身优势和相关科技成果,助力北京打造绿色冬奥、科技冬奥。

  中科院过程工程研究所等使用长寿命、高储热密度一致熔融型水合盐相变材料,在冬奥会张家口赛区山地转播中心建成小体积、模块化相变储热-谷电清洁供暖示范工程,为在极寒、山地条件下绿色、高效供暖提供技术支撑;

  科大讯飞股份有限公司等通过技术创新,攻克大量小语种面临的专家知识匮乏和资源稀缺难题,把中文语音语言技术拓展到60个语种,将助力冬奥会跨语言沟通和多语种信息发布;

  赣江创新研究院等开发出高储氢密度和放氢速率的合金储氢材料,将延长手持氢气火炬续航时间,助力冬奥会火炬传递;

  西北生态环境资源研究院在滑雪场造雪、储雪、雪质保障和赛道维护等方面,为冬奥会雪上项目提供技术支撑和服务保障;

  空天信息创新研究院在自由式滑雪空中技巧、跳台滑雪、冬季两项等外场雪上竞技体育项目上,攻克了精准、实时、可视化气象保障技术,为国家队训练和比赛提供全方位气象保障支撑和辅助决策支持。

  

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  科大讯飞双屏翻译机

  

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  谷电-相变储热清洁供暖系统

  12.实现单分子多维度内禀参量精密测量

  完成单位:中国科学技术大学

  精确测定分子的化学结构、识别其化学物种一直是表面科学的核心问题。中国科学技术大学单分子科学团队侯建国、王兵、谭世倞等科研人员在前期工作基础上,采用融合STM、AFM、TERS等扫描探针技术策略,发展了STM-AFM-TERS联用技术,突破了单一显微成像技术的探测局限;利用这一高分辨的综合表征技术,以并五苯分子及其衍生物作为模型体系,结合电、力、光等不同相互作用,实现了对电子态、化学键结构和振动态、化学反应等多维度内禀参量的精密测量。研究团队通过集成高灵敏度的单光子计数器,将拉曼光谱的实空间成像速度提高了2个数量级,成功实现了并五苯分子化学反应前后的动态跟踪与测量。结合理论计算,揭示了分子化学反应过程的机理,验证了实验观测结果。

  这一融合多维度表征技术策略有望为表面催化、表面合成和二维材料中的化学结构与物种识别以及构效关系的构建提供可行的解决方案,在表面化学、多相催化等研究领域具有重要科学价值。相关成果发表在《科学》杂志上,审稿人评价该技术“将具有跨领域的影响力”。

  

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  基于扫描探针的单分子多参量测量示意图

  13.嫦娥五号月球样品研究揭示月球演化奥秘

  完成单位:中国科学院地质与地球物理研究所、国家天文台

  2020年12月,嫦娥五号带回1731克月球样品,这是我国首次完成地外天体样品采集,也是人类44年来再次获得新的月球样品,为月球相关科学问题的解决提供了机会。

  2021年,中国科学院地质与地球物理研究所、国家天文台等对嫦娥五号月球样品玄武岩进行了精确的年代学、岩石地球化学及岩浆水含量研究并取得突破性进展。研究证明,月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年,为撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点;月球晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素,并且月幔源区几乎没有水。这一系列由我国科学家主导独立完成的研究成果得到国际专家的高度评价,包括“提供了迄今为止月球上确定的最年轻的玄武岩的证据”“改变了我们对月球的热历史和岩浆历史的认识”“对我们认识月球起源和演化具有重要意义”。这些发现也对未来的月球探测和研究提出了新的方向。相关成果发表在《国家科学评论》和《自然》杂志上。

  

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  嫦娥五号月海玄武岩岩屑电子背散射照片

  14.我国量子计算优越性研究取得重要进展

  完成单位:中国科学技术大学、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所

  超导量子比特与光量子比特是国际公认的有望实现可扩展量子计算的物理体系。量子计算机对特定问题的求解超越超级计算机即量子计算优越性,是量子计算发展的第一个里程碑。

  中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟等组成的科研团队,与中科院上海技术物理研究所合作,在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展,使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

  经过研究攻关,超导量子计算研究团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”,实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解,比目前最快的超级计算机快一千万倍,计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机“悬铃木”高一百万倍,使得我国首次在超导体系达到了“量子计算优越性”里程碑。

  同时,光量子计算研究团队构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”,处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍,并增强了光量子计算原型机的编程计算能力。

  

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  九章二号144模式干涉仪实验

  

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  “祖冲之二号”量子处理器

  来源:中科院官网、中国科讯


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