看!创新英雄们的风采——2016年度国家科技奖获奖项目巡礼(上)

中微子振荡,第四代移动通信系统,非致残性脑血管病,阿司匹林,浙江大学能源清洁,

移动互联概念下的北京CBD全景。(人民视觉)

国家科学技术奖励大会1月9日在北京举行,党中央、国务院隆重表彰了2016年度获奖的科技工作者。

2016年度国家科技奖共评选出2名最高奖获奖人、279个项目、5名外籍专家和1个国际组织。虽然自然科学奖、技术发明奖、科技进步奖三大奖总数进一步减少,成果却毫不减色,既有面向国家战略需求的重大项目,也有致力于服务经济社会发展、改善人民生活的科技创新。经国家科技奖励办公室推荐,我们选取部分获奖项目进行报道,展示创新英雄们的风采。

——编  者

国家自然科学奖一等奖“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”

寻找宇宙“隐形者”

本报记者  冯华

这一次,中国的科学家跑在了世界的前面。θ13,中微子的第三种振荡模式,当世界几大实验室的物理学家都在苦苦寻觅它的踪影时,中国大亚湾中微子实验室率先给出了确定答案。2012年3月,大亚湾中微子实验项目负责人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳宣布,项目组发现了第三种中微子振荡模式,并精确测量到其振荡概率。

这项成果在国际上引起强烈反响,当年即被美国《科学》杂志评选为2012年度十大科学突破,也被物理学界不少人评价为半个多世纪以来中国人最重要的实验物理学成果。在2016年度国家科技奖评奖中,王贻芳团队凭借这项成果,摘得我国自然科学领域备受瞩目的奖项——自然科学奖一等奖。

对中微子的认识将揭开宇宙演变的诸多奥秘

什么是中微子?中微子是构成物质世界的基本粒子之一。目前已知构成物质世界的基本粒子共有12种,其中夸克有6种,轻子也有6种,中微子则属于轻子,共有3种类型,在基本粒子中占了1/4席位。

在科学家的眼中,小小的中微子,在最微观的物质世界和最宏观的宇宙中都起着重要作用,是联系物理学、天文学、宇宙学和天体物理学的重要纽带,对它的认识将揭开宇宙演变的诸多奥秘。

其实,中微子就在我们身边,每秒钟有亿万个中微子以接近光传播的速度穿过我们的身体。但由于中微子质量极其微小,不带电、也几乎不与任何物质发生作用的特点让它极难捕捉,好像施了“隐身术”一般,无形中增加了研究的难度。

中微子还有一个极其特殊的性质,那就是中微子振荡,即在飞行中从一种类型转变成另一种类型。原则上三种中微子之间相互振荡,应该有三种模式,分别为θ12、θ23、θ13。其中前两种模式已被多个实验证实,第三种振荡则一直未被发现,甚至于有人怀疑θ13为零,根本不存在。

在国际竞赛中率先撞线,发现中微子振荡新模式

王贻芳盯上了θ13

2003年冬天,当时还是高能物理研究所一名普通研究员的王贻芳注意到,利用反应堆中微子来测θ13已成为国际热点,多个外国团队正打算进行同类实验,一场竞争激烈的赛跑正悄然展开。

“核电站在发电时,会产生大量中微子,反应堆功率越大,释放中微子越多,测量精度越高。”王贻芳介绍,中微子与普通物质反应的概率实在太低了,科学家寄希望于用非常多的粒子,拦在中微子流的路上,期望它们能撞上几个,这是中微子探测的基本办法。“我们考虑在大亚湾核电基地建实验室,因为大亚湾核电站功率高;同时大亚湾和岭澳两个机组附近均有山体,在山体下建实验室,可利用其岩石覆盖有效屏蔽宇宙线本底对实验结果的干扰。”

说起来容易,真正做起来却是难上加难。经费、施工的安全性等都困扰着王贻芳团队。最关键的是,在我国科研团队争分夺秒的同时,法国和韩国的同行也加快速度进行着同类实验。

为了能在这场竞赛中率先撞线,王贻芳和团队成员精心设计了实验方案。大亚湾中微子实验工程副经理、中国科学院高能物理研究所研究员曹俊介绍,大亚湾实验是全球实验中唯一采用同一实验室多模块探测器的中微子实验,实验设计指标和精度国际最高。实验误差降低了“根号n倍”——在远点设计安装了4个探测器,使探测误差降了2倍,在近点设计安装了2个探测器,使误差降低了1.4倍。

那么,发现了中微子振荡的第三种模式,有什么用?

王贻芳的回答有些“高冷”:“基础研究的重要性远远大于它的实用性,中微子振荡在宇宙起源和演化中起到重要作用,是粒子物理和宇宙学研究的重点之一。”

在广东江门,江门中微子实验站正在紧锣密鼓建设中。“我们测出θ13,即将测量中微子质量顺序,未来的目标放在测量CP破坏上。一旦走完这条不同寻常的路,中国必将在中微子研究领域站到世界前沿。”王贻芳表示。

国家科学技术进步奖特等奖“第四代移动通信系统(TD—LTE) 关键技术与应用”

修好移动通信“高速路” 

本报记者  刘诗瑶

过节用微信“抢红包”、下班打开约车软件、在偏远地区顺畅通话……人们生活的便捷舒适,离不开移动通信技术的支撑。在2016年度国家科学技术奖励大会上,“第四代移动通信系统(TD—LTE)关键技术与应用”项目荣获国家科学技术进步奖特等奖。项目历经10年,上万科技人员不懈努力,突破了核心重大技术,主导了国际标准及产业,实现了我国移动通信“从边缘到主流、从低端到高端、从跟随到领先”的历史性突破。

移动通信是国家关键基础设施,是全球科技创新和国际竞争的必争高地。“30年来,我国经历了‘1G空白、2G跟随、3G突破’的发展过程。” 项目第一完成人、中国信息通信研究院原院长曹淑敏说,我国3G虽有所突破,但技术竞争力弱、产品低端,仅在国内应用。2005年,当我国还处于3G研发产业化阶段时,国际上就启动了4G研究。在通信技术领域,如果成为不了主流,就会被逐步边缘化。

当时,4G包括FDD和TDD两大技术路径。一方面,FDD是主流,由欧洲移动强国长期占据主导地位,他们认为TDD技术难度大,难以成为移动通信主流。另一方面,TDD虽处于补充地位,美国却一直试图抢占TDD路径,国际竞争异常激烈。“我国3G有近10年积累,TDD有灵活使用频谱、提高频谱效率等潜在优势。我们因此决定另辟蹊径,选择TDD作为4G战略主攻方向。” 曹淑敏说。

整个团队不怕辛苦、迎难而上、抓紧攻关。项目第二完成人、中国移动通信集团公司技术部总经理王晓云至今都记得,团队开始做规模实验测试时,为了更好地测量性能,成员们深更半夜还在室外工作,累了就蹲在马路边上休息,曾经有200多人在凌晨同时抱着笔记本,只为实现更精准的测试结果。

十年磨一剑,功夫不负有心人。团队终于攻克了TDD难题,提出高速率、全覆盖TD—LTE技术解决方案。同时,突破了芯片、终端、仪表等薄弱环节,研制出28nm五模十三频芯片及TD—LTE全产业链系列高端产品。在组网创新方面,攻克了大规模组网难题,提出全场景系列化解决方案,还提出8天线信道模型及测试方法,研制出端到端测试方案及平台……

最令人扬眉吐气的是,团队提出的TD—LTE技术标准在国际竞争中胜出,成为两大4G主流国际标准之一,统一了全球TDD演进路径。我国的创新成果牵头国际标准项目占比达46%,提交提案2万余篇,授权专利近3000件,专利占比是3G的3倍,扭转了我国移动通信核心技术和知识产权受制于人的被动局面。

最令人欣喜的是,用户得到真正的实惠。由2G平均速率的97kbps提升为4G的38Mbps,人们下载一个视频可以从13分钟减少为2秒。流量翻了几番,价格却没有上浮,在智能交通、互联网金融、电子政务、移动医疗等方面,用户都感受到了提速的便利。

同样受惠的还有产业。“项目还带动了上下游突破,快速提升了信息产业整体创新能力。”曹淑敏说,我国4G在形成完整产业并进入高端的同时,一方面带动上游集成电路设计、流片及封装快速升级,终端元器件国产化率持续提升。另一方面带动下游移动互联应用快速创新发展。目前,我国移动APP数量超过苹果和谷歌总和,微信等国内应用主导市场发展,形成新的移动互联生活方式,并带动互联网企业实力快速提升,全球市值前十名中我国占了四席。

国家科学技术进步奖二等奖“高危非致残性脑血管病及其防控关键技术与应用”

打开最后“一扇窗”

本报记者  谷业凯

脑血管病已成为我国居民死亡和成人致残的首位病因,并且具有高复发、高致残的特征。因此,早发现、早诊断、早治疗,即“关口前移,重心下沉”的防控思想已成为脑血管病诊疗的基本原则。但是,怎样做到“关口前移”,如何发现重点防控人群,这些困惑一直制约着中国脑血管病的防控效果。首都医科大学附属北京天坛医院王拥军教授领衔的项目组历时15年,终于在这一领域取得了突破性进展。

脑血管病按发病时症状轻重分为致残性和非致残性,致残性脑血管病损害严重,既往研究多集中于此;而对于症状较轻微、占比却超过60%的非致残性脑血管病,受到的关注却比较少,而这部分人群通过有效干预可以完全恢复健康。于是,王拥军及其团队决定以非致残性脑血管病为突破口,开展相关研究。

非致残性脑血管病包括短暂性脑缺血发作和轻型卒中。据调查,我国短暂性脑缺血发作患病人数高达2390万,其中78%为高危不稳定状态,轻型卒中早期复发或进展为致残性的比例甚至高达10%,有人将之比喻为脑血管病干预的最后“一扇窗”。但是这部分患者的知晓率仅3.1%,诊断率16%,规范治疗率只有4.1%,脑血管病的这一潜在干预窗口被严重忽视。

锁定非致残性脑血管病以及最佳窗口人群后,项目组进而发现了非致残性脑血管病复发风险预测与危险分层评估的重要标记物sCD40L,并建立了成熟的高危风险的评估体系。概念的提出为后续的治疗技术研发打下了坚实的基础。“提概念、找方法、改进方法,这是我们循序渐进的‘三步走’策略。”项目首席专家王拥军表示。

阿司匹林是循证指南推荐的唯一有效的早期抗血小板药物,但其单独应用疗效有限,即便早期应用,脑血管病复发率仍高达10%—20%。尽管国际上开展过“双重抗血小板”(简称“双抗”)的临床研究,但均因出血风险大于获益而宣告失败,“双抗”治疗被国际循证医学指南认为是脑血管病复发防治领域的“禁区”。项目组通过大数据计算,找到了避免“双抗”使用过程中过犹不及的“甜蜜点”,开创了短程、早期、优化且中低剂量配伍的阿司匹林联合氯吡格雷的“双抗”治疗新技术,在不增加出血的前提下,使90天复发风险降低32%,临床获益可长达1年,且没有停药后的“反跳现象”。按照我国脑血管病流行病学数据测算,该研究成果已累积减少74万例脑血管病复发病例,累积降低医疗花费150亿元,成果“一种阿司匹林与硫酸氢氯吡格雷的复方骨架缓释片”获得国家药物发明专利1项,并且已进入临床应用。

优化的“双抗”治疗方案已大大降低了高危非致残性脑血管病患者的复发风险,但在实践中仍有约8.2%的患者发生了早期复发。针对此部分患者,项目组采用药物基因组学技术,发现氯吡格雷在人体内代谢与CYP2C19基因的表型显著相关:表型为正常代谢者,氯吡格雷可良好发挥作用,“双抗”治疗获益可额外增加20%。“精准医学的研究成果为准确找到‘双抗’治疗最大获益者提供了依据,也为这些患者个体化治疗决策提供了重要的循证医学证据。”王拥军说。

项目开展之初,研发团队还承担了另一项重要使命——解决药物研发的临床评价问题,为新药创制和药品产业化服务。项目组设计、实施的“氯吡格雷治疗急性非致残性脑血管事件高危人群的疗效研究”,解决了这一瓶颈问题,标志着我国的临床设计达到世界领先水平。“有研究才有新方法,临床研究改变临床实践。”谈及临床研究的意义,王拥军如此评价。

国家科学技术进步奖一等奖“浙江大学能源清洁利用创新团队”

为了让天空“高颜值”

周炜 余建斌

浙江大学玉泉校区西面有一幢简朴的四层小楼,后面搭着比房子还高的管道和锅炉,常可以看到老师和学生在其间穿梭,专注地测试、记录。这里是浙大热能工程研究所的所在地, 由岑可法院士带领倪明江、严建华、骆仲泱、樊建人组建于上世纪80年代的能源清洁利用创新团队,30年来不断地向产业输送基础研究和工程技术前沿的创新成果,支撑着我国能源环保产业的可持续发展。

前不久,浙江大学能源清洁利用创新团队获得了2016年度国家进步奖一等奖(创新团队)。

针对降低燃煤电厂污染物排放的重大需求,浙大团队确定了煤炭清洁高效发电和电力生产污染控制作为两大主要研究方向进行破题,力争煤炭全过程的清洁利用。

为此,科研人员开创了煤炭分级转化清洁发电全新燃煤发电方式,实现了燃煤电厂在发电同时生产油、气产品。团队还解决了水煤浆流动、雾化和燃烧难题,使我国水煤浆燃烧技术领先于世界。目前,水煤浆代油燃烧技术已应用于15个省市,建成了全球最大200兆瓦水煤浆发电机组。

同时,为了实现燃煤电站燃烧污染物的深度控制,团队解决了大型污染物脱除装置中传质传热强化,及催化剂温度敏感、易中毒和难再生等难题,为我国电站实现大气污染物超低排放提供了完整的技术解决方案。团队与浙能集团合作,首次实现了燃煤电厂烟气污染物排放优于天然气机组排放标准,推动了我国全面实施燃煤电站污染物超低排放的升级改造。

针对我国生活垃圾和工业污泥等组分复杂、品质差的实情,团队科学家创新了复合循环流化床燃烧、二恶英全过程控制等技术,实现了生活垃圾稳定高效燃烧和低污染排放,二恶英排放优于最严格的欧盟标准。这些技术应用于全国40多座生活垃圾焚烧发电厂和110多座污泥焚烧工程,并输出韩国,国内市场占有率分别达30%和70%,扭转了依赖进口技术的局面,被国际权威专家列为全球固体废弃物热处置四大主流技术之一。团队还负责制订了我国首部《生活垃圾流化床焚烧工程技术导则》。团队在国内开创了流化床生物质直燃发电产业,建成生物质发电厂25座,包括国际上容量最大等级的50兆瓦生物质发电机组。

历经近30年的发展,团队规模从初创的10余人不断发展壮大,目前团队有科研人员45人,博士后和项目聘用科研人员50余人,博士研究生200余人。

“有了团队才能做大事。”倪明江说,“为承担重大工程技术创新任务,必须建设强大的高水平团队。”

围绕国家重大任务的有组织的协同创新,是团队成员认同的科研模式。这种团队“基因”,早在科学家们学术生涯的起步阶段,就已经植入——团队培养研究生的模式是多个导师组成导师组,合作指导学生。

“我们当年刚开始那么做时,研究生的档案表格里导师一栏只能写一个名字,我们当时还专门向学校说明了情况。现在,‘导师团队’的做法,已经在全校逐步推广了。”倪明江说。

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责任编辑: 闫月

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