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中国天河光源解读2010国内十大科技新闻

今年评选出来的十大国内科技新闻,较往届分量更重。评委的视角不仅仅局限在那些具备战略意义的技术进展和不同学科的原创成果,像在上海世博会这样的举国大事中功不可没的科技力量也被推向“前台”。还有很多重要的成就,由于名额有限,只得割爱。我们相信最终荣膺的十大国内科技新闻,能够代表中国科技人员在过去的一年里对科技事业和公众利益的贡献。

1.我国迄今最大的国家重大科学工程“上海光源”通过验收

炽烈的阳光下纤毫毕现。上海光源就好比人造的太阳。1月初我国迄今最大的科学工程上海光源通过国家验收。借助于它,许多原本看不见的结构呈现在科学家的眼前。

上海光源的全称是上海同步辐射光源。1947年,美国人在高能加速器实验时偶然发现:高速运动的电子在改变方向时,会释放出一种“同步辐射光”,其中包含的X光亮度极高。如果说19世纪末伦琴制造的X光是一支蜡烛,同步辐射光就好比太阳,能把微观世界照个透亮。

第一代同步辐射光源是高能加速器的副产品。第二代光源,是人们为了获得同步辐射光,专门设计的一种加速器。而第三代光源使加速器跑道上的电子不断改变方向并释放同步辐射光。一次次释放叠加起来,得到亮度上万倍的光。上海光源就属于目前世界上第三代光源中的佼佼者。

在许多科研领域,同步辐射光源都不可缺少。同步辐射光照到蛋白质分子上得到衍射光谱图,对其运算分析可以得出蛋白质分子的三维结构以往需要几天的工作,现在只需几个小时甚至几十分钟就能完成;利用同步光源可以拍出极其清晰的X光片,对早期心脏病进行安全和快速的诊断;它还可以分析灰尘的成分,进而找出城市中的污染源;材料科研里,它也能帮上大忙。

建在巨大的球弧状屋顶下的“上海光源”,可容纳60条以上光束线和上百个实验站,每天帮助几百名科研人员工作。自从投入运行以来,上海光源的日程表排得满满的,工时供不应求。截至目前,上海光源用户发表论文数已有80篇左右,包括一些发表在《自然》、《科学》和《细胞》等著名科学期刊上的成果。

2.科技让世博更精彩

走进上海世博园的大门,游客们感受到的是技术创新带来的便利和新奇。

门票一刷就放行,内置的“智慧标签”可以防伪。进入地下通道“世博轴”,玻璃纤维把阳光引入,宛如地上一样明亮。走上地面,标志性建筑“中国馆”映入眼帘。它采用可以遮阳的桁架结构,每一根钢架的拼搭都是计算过的。

走进中国馆,有叹为观止的“清明上河图”动画。绚丽的空间成像技术,在各国家展馆和主题馆里大放异彩。

来到“世博主题馆”前,东西两侧是巨大的排满了植物的生态墙。巍峨的建筑顶上,除了一块块用来发电的太阳能板,还有雨水收集系统用于园艺灌溉。小河和池塘里,漂浮着净化水质的植物岛。

园里喝的是最新工艺消毒的直接饮用水,吃的是先进技术检测合格的食品,吹的是用黄浦江水降温的丝丝冷气,坐的是各种类型的大小新能源汽车。

夜幕降临,史上最壮观的LED灯光秀场展现在眼前。“一轴四馆”低碳的光影变幻令游人驻足。

精确气象预报、安保机器人,垃圾气力运输……各领域的新技术保障世博运作有序。

“城市,让生活更美好”;科技让世博更美好。“安全、便捷、健康、环保”,是上海世博会科技行动的理念。世博会上展示的科技,映照出各种美好的可能性。科技帮助人们实现一种尊重自然的生活方式和一个趣味盎然的未来世界。

尤其重要的是,世博科技行动通过创新成果的规模化应用,带动了新兴产业的发展。前沿的技术成果全面助力上海世博会,展现出中国科技界创新的实力。

3.我科学家首次实现远距离自由空间量子态隐形传输

今年6月1日出版的《自然·光子学》,封面论文发表了一个里程碑似的成果来自中科大和清华的联合研究团队,在河北怀来和北京八达岭之间分发了一对纠缠光子。16公里!这是目前国际上实验室外实现的最远距离,也是目前国际上量子密钥分发的最大距离。

什么是量子密钥呢?无论是军队用的电报密码本,还是银行用的口令本,总有被人截获的危险。然而,靠着量子纠缠的同步性,科学家就可以给出一个无法窃取的一次性的密钥你知我知,天不知地不知。

只要制造一对量子纠缠的粒子A和B,分别给信息的传送人和接收人,这对粒子就好像古代战争用的虎符一样,总是严格吻合。传送人一测量A粒子,它就呈现出一个随机数值;而接收人手上的B粒子,“心灵感应”般地呈现出与A对应的值。由此,发信人和收信人可以确保拿到同一个数值这就是密钥。有了密钥,就可以把信息加密发出去了。

量子密钥不可能被半路侦测,因为量子态脆弱到极限,一测量就崩溃。偷窥者拿不到密钥(解密算法),对任何加密的信息都束手无策。

量子密钥的创意无懈可击,但目前还不能实用,原因是很难让一对纠缠粒子在长距离上保持稳定。不过近年来,中国科学家一直在努力刷新量子传输的距离纪录。

今年中科大和清华团队成功地在16公里长度实现量子传输,这证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后,其纠缠特性仍然能够保持。这样的话,用卫星传输纠缠光子就完全可能实现。这是量子通信技术走向实用的重要一步。

4.体细胞“变身”多能干细胞机制被揭示

干细胞是生物体中最原始的细胞,它可以分化为不同器官的细胞,就好像树干能够分出许多枝条。人们希望利用人类干细胞的无限潜力来治疗疾病用患者的干细胞发育出的新器官,替换生病的器官。

干细胞过去取自胚胎,这就使科学研究受到了伦理学上的限制。自2006年以来,iPS细胞成为干细胞领域的研究热点通过导入4个关键基因,科学家将正常体细胞逆转编程,变成“诱导式多能干细胞”。iPS细胞可以同胚胎干细胞媲美,又没有伦理学障碍。

但普通细胞逆转成iPS细胞,是失败率很高的过程。

科学家不清楚其中的机理,因此很大程度上要靠运气。

今年我国科学家的一项研究,揭示了体细胞逆转为多能干细胞的启动机制,对诱导多能干细胞技术的完善有指导意义。中科院广州生物医药与健康研究院裴端卿研究员等人的研究成果,发表在6月18日出版的著名学术期刊《细胞·干细胞》上。

两三年以前,中国科学家们发现,小鼠的成纤维细胞变成类似表皮细胞的过程,与正常发育中常见的表皮细胞转换到间充质细胞过程刚好相反。他们对之长期研究后发现:4个关键基因通过协作,一方面抑制了间充质细胞的维持体系,另一方面激活了表皮细胞特征基因表达。这样就启动了表皮细胞的形成,从而开启了iPS过程。

这项工作揭示了间充质—表皮细胞转换过程在诱导多能干细胞形成中的关键作用。由于搞清楚了4个关键基因起作用的具体机理,人们就有可能操纵逆转过程,成功生产出大批iPS细胞。这对于iPS应用到临床具有重要意义。

5.我自主研制出世界首台脊柱微创手术机器人

提到机器人,我们早已经不陌生了,但是当你把自己的生命交给这家伙摆布的时候,你会不会胆战心惊?实践证明,担心是多余的。手术刀在它手上可不会耽误工夫,还没等你缓过神,你的脊柱手术估计就已经顺利结束了。

在研究人员的操控下,脊柱微创手术“机器人”用不上一分钟就能轻松完成对一块腰椎模型的两次定位、瞄准、钻孔操作,而且在两次对同一部位的重复操作中,可以做到几乎毫发不差、十分精准。

与传统脊柱手术相比,脊柱微创手术具有创口小、术后恢复周期短等特点,患者术后效果更好、生活质量更高,是目前脊柱外科领域的主要发展方向。但由于脊柱毗邻人体重要神经、血管,毫米的误差就可能带来灾难性的后果。因此在小切口的微创手术操作中要求技术更精细、精确,动作更稳定,以防止对病变周边健康组织的损伤。此外,由于脊柱微创手术需要反复通过术中X光或术中CT进行定位,医生容易受放射线损伤,影响身体健康,这也妨碍了脊柱微创手术的推广运用。

人类的智慧是无限的,使用工具也是人类的最伟大之处。用机器完成高难度的动作是最安全可靠的选择。7月11日,由第三军医大学重庆新桥医院与中科院沈阳自动化研究所联合研发的、具有完全自主知识产权的脊柱微创手术机器人在新桥医院投入前期临床试验。

这是世界上首台专门用于脊柱微创手术的机器人系统,继上世纪90年代末机器人开始在腹部外科、泌尿外科、妇产科、心脏外科等领域推广应用后,我国科学家成功将机器人引入到脊柱微创手术中,通过机械的精准定位并替代医生在放射线下手术操作,不仅能提高手术的精准性,还能降低手术风险和减少术后并发症发生,同时还能降低对医生的放射损害,对于脊柱微创技术在临床的进一步推广运用具有重要的意义。

6.我国第一座快中子反应堆首次临界

7月21日,由中国原子能科学研究院研发的我国第一座快中子反应堆首次临界,意味着我国第四代先进核能系统技术实现突破,成为世界上第8个拥有快堆技术的国家。

核电站一般使用的热中子反应堆,利用铀-235裂变产生的能量,把水变成蒸汽,推动轮机发电。铀-235在自然界很稀少,只占铀储量的1%不到,其余的铀,是不能裂变的铀-238。铀-235好比煤;

铀-238好比煤矸石,一度是废料。

快堆技术的发明,让“煤矸石”也能燃烧。快中子堆用钚-239作核心,它裂变释放出的快中子,可以把周围的铀-238变成钚-239,并且继续连锁裂变反应。

由于这种反应剧烈,必须用导热能力很强的液体把热量传导出去。液态钠担当了这个任务。第一层钠把热量传给第二层钠,后者变成蒸汽,推动轮机发电。

在技术上,快堆比目前核电站使用的轻水堆难度要大得多。但由于它前途远大,被称为“梦幻核电站”,所以各国都在加速开发研究快中子反应堆。目前全世界有几十个中小型快堆在运行,但普遍实现商业化仍有困难。

快堆利用了铀-238,使贫铀矿也有了开采价值,这将使世界可采铀资源成百倍的增加。中国的铀资源仅占世界2%,充分利用资源的需要更迫切。

作为国家863计划重大项目,中国实验快堆是中核集团第四代核能技术研发的重点,它的热功率为65兆瓦,电功率20兆瓦。实验快堆的设备国产化率达到70%以上。临界是实验快堆最重要的一个节点,它标志着中国掌握了快堆技术。当然这离连进电网还早。实验堆成熟后,还需要建造成功的示范堆,才能进入商业堆阶段。

7.“蛟龙”顶起中国纪录,我国成为世界上第5个掌握3500米以上载人深潜技术国家

去太空转一圈?买张飞船票就搞定啦。去海底呢?那就买张“蛟龙票”吧!或许在将来的某一天,上天、入地都会被开发成旅游项目。中国人可不能在这上吃亏。

8月26日,科技部、国家海洋局在京联合宣布:我国第一台自行设计、自主集成研制的“蛟龙号”载人潜水器3000米级海试取得成功,最大下潜深度达到3759米,超过全球海洋平均深度3682米,标志着我国成为继美、法、俄、日之后,第5个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家。

深海高新技术是海洋开发和海洋技术发展的最前沿与制高点,也是目前世界高科技发展的方向之一。而深海载人潜水器是运载科学家、工程技术人员和各种电子装置、特种设备快速、精确地到达各种深海复杂环境,进行高效勘探、科学考察和近海底作业的装备,是和平开发和利用深海资源的重要技术手段。经过50年的发展历程,美国、法国、俄罗斯、日本等相继研制成功当前世界仅有的5艘6000米级深海载人潜水器。这些装备到达的范围遍及海洋的大陆坡、海山顶、火山口、洋脊以及6000米的洋底,科学家亲临现场,主观能动性和创造力得到充分发挥,在地质、地球化学、地球物理和海洋生物等方面取得了大量的重要发现。

3759米,这是“蛟龙号”潜入深海的最大深度;9小时零3分,这是它创造的水下和海底作业时间。这一记录把中国的载人深潜技术推向了国际前沿水平。与国际上现有的5个大深度载人潜水器相比,“蛟龙号”在技术上有很多独特之处。首先,“蛟龙号”具有先进的近底自动航行功能和悬停定位功能,便于目标搜索和定位;其次,它具有高速水声通信功能,可以将潜水器在水下的语音、图像、文字等各种信息实时传输到母船上,母船的指令也可以实时地传给潜水器;第三,我国自行开发研制的充油银锌蓄电池与国外同类潜水器相比,容量是最大的,从而保证了在水下的作业时间;第四,“蛟龙号”设计深度是7000米,研制人员已经对每个部件进行了7000米压力试验考核。

8.嫦娥二号升空

10月1日18时59分57秒,随着一声惊天轰鸣,巨型运载火箭喷射出一团桔红色的烈焰,托举着嫦娥二号卫星拔地而起,直刺苍穹……

看着“妹妹”一点点靠近自己,住在月宫里的“姐姐”嫦娥一号兴奋不已。从2007年10月24日18时05分离开地球至今虽然还不到3年时间,但是勤劳的“姐姐”源源不断地传回为月球拍摄的照片;在轨飞行一年时间,就传回了1.37TB有效科学探测数据。2008年11月12日,发布了中国第一幅全月球影像图,这是目前世界上已公布的最清晰、完整的月球影像图!

跟“姐姐”比起来,“妹妹”嫦娥二号坐的是科技含量十足的“动车组”,长征三号丙运载火箭可以直接把她送到地月转移轨道,飞向月球的整个行程只需要112小时。“妹妹”这次去月球探亲还带了好多新装备,要开展一系列新试验。比如X频段深空探测技术试验、紫外导航试验、CCD相机高分辨率成像试验、月壤特性探测试验等等。到达月球后,嫦娥二号在离月球表面100公里的圆轨道开展工作,比“姐姐”的200公里工作轨道离月球更近。完成在轨测试和技术验证后,还会进入到更近的100×15公里椭圆轨道,对嫦娥三号预选着陆区虹湾进行拍照。其它探测设备也将有所改进,所探测到的有关月球的数据将更加翔实,更加精细。

为获得着陆区的精细地形数据,嫦娥二号激光高度计在月面上留下的“激光足印”间距更小,激光测距精度也可达5米,从而获得月球上几个重点区域的高密度高程测量数据;根据月球探测二期工程要求新增的X频段的测控,使得我国深空测控通信能力将扩展到“地球—火星”间的距离。

9.“天河一号”高效能计算机问鼎全球

11月17日上午,国际超级计算TOP500组织正式发布第36届世界超级计算机500强排行榜,国防科学技术大学研制的“天河一号”,以峰值速度4700万亿次和持续速度2566万亿次每秒浮点运算速度刷新国际超级计算机运算性能最高纪录,一举夺得世界冠军。

从中国第一、亚洲第一到世界第一,“天河一号”令所有中国人振奋。中国科学家们经过几代人的努力,用智慧和勤劳书写了古老“算盘王国”的新传奇。“天河一号”采用了我国自主研制的高速互连芯片,芯片性能是目前国际最佳商用产品的两倍以上,使得CPU之间的通信速度得到大幅提升;中央处理器也首次部分采用我国自主研制的“飞腾—1000”芯片。

“天河一号”运算1小时,相当于全国13亿人同时计算340年;运算1天,相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年;总的存储容量能够容纳1千万亿个汉字,相当于一个存储10亿册100万字书籍的巨大图书馆;可广泛应用于石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、资源勘测和卫星遥感数据处理、金融工程数据分析、气象预报和气候预测、海洋环境数值模拟、短期地震预报、基础科学理论计算等。

站在“天河一号”前,你会觉得“天河一号”气势宏伟、震撼人心。这个庞然大物由140个机柜组成,每个机柜1.45米宽、1.2米深、2米高,排成13排,这个方阵占地约700平方米,总重量约160吨。

但实际上,“天河一号”在世界上已有的千万亿次超级计算机(多数占地近千平方米)中,算是一个身材苗条的小个子。“天河一号”在实现高密度计算方面做得相当好,紧凑、装机密度高、相对占地较少、节约空间,并且采用冷冻水空调密闭风冷散热方案,散热效率高。

超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机,是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一,是体现科技竞争力和综合国力的重要标志。我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”的成功问世,是我国高性能计算机技术发展的又一重大突破,标志着我国自主研制超级计算机综合技术水平进入世界领先行列,实现了我国自主研制超级计算机能力从百万亿次到千万亿次的跨越,使我国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机系统的国家。

10.我国高铁跑出486.1公里时速,再次刷新世界纪录

时速486.1公里!这是喷气飞机低速巡航的速度。时速486.1公里!这是中国新一代高速动车组跑出的速度。中国继续演绎着“高铁奇迹”。

12月3日,在京沪高铁枣庄至蚌埠间的先导段联调联试和综合试验中,由中国南车集团研制的“和谐号”380A新一代高速动车组在上午11时28分最高时速达到486.1公里。这是继今年9月28日沪杭高铁试运行创下时速416.6公里之后,中国高铁再次刷新世界铁路运营试验最高速。

速度快得有点让人害怕,坐在车里会不会飞出去?对于人们担心的高速列车安全问题,中国南车集团有关技术人员解释说,高速列车有个很重要的安全指标叫脱轨系数,就是不同时速下的列车,它的脱轨系数都要小于0.8,经过测试,新一代高速动车组的脱轨系数小于0.1,远远低于限度标准。所以,你就放心大胆地坐吧。

京沪高铁全长1318公里,途经244座桥梁、22座隧道,贯穿北京、天津、河北、山东、安徽、江苏、上海7省市,连接环渤海和长江三角洲两大经济区,线路自北京南站至上海虹桥站,全线共设北京南、天津西、济南西、南京南、上海虹桥等24个车站,是当今世界一次建成线路里程最长、技术标准最高、运行速度最快的高速铁路,举世瞩目,举国关注。2011年底前通车后,北京至上海将4小时直达。

目前,我国已投入运营的高速铁路营业里程达到7531公里,居世界第一位。我国已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。

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