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中国还有26个称雄世界的科技第一

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中国属于世界上最大的发展中国家,但中国已有不少的科技超过美国等发达国家。比如量子通信,量子卫星、中国高铁、特高压输变电,通讯设备制造、人工智能里面的语音识别、世界最快超级计算机,世界最大效率的3D激光打印机。


中国的高速铁路无疑超越了美国,早些年,铁道部曾经评估且选择了全球四家顶尖高铁技术引进,其中有:庞巴迪,川崎,西门子,阿尔斯通,都不是美国公司。


中国火箭检验用的50吨超大振动台,美国同样需要从中国进口。中国是世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。


中国的超超临界火力发电装备,水电装备,核电装备,卫星导航技术,纳米技术等都和美国处于同一水平线上。另外,中国领先的科技还有量子卫星,世界最快超级计算机神威太湖之光(与天河计算机一起六连冠)、暗物质卫星、长征七号,FAST天文望远镜,长征五号、天宫二号等。


虽然如此,中国依然是科技大国,真正达到科技强国还需要奋发图强。下面精选及列举中国最近十年里的科技成就,其中包括全球始终领先的科技、中国首次领先的世界第一、国际上领先水平的科技等等。


一、全球领先的空警2000预警机


全球最先进的预警机。领先美国E-3C预警机接近一代。空警-2000预警机,是中国自行研制并形成战斗力的大型预警机。


该机以伊尔-76为载机,安装新型相控阵雷达,碟形天线,超级计算机、控制台及软件。其固定三片式雷达达到360度全方位覆盖,特别擅于探测速度较高的空中或海上目标,能够扩充侦察能力,加强对电子情报、电磁情报、无线电情报收集,提高作战效能60%以上。


空警-2000装备部队,填补中国空军没有大型预警机的空白。据英国《简氏防务周刊》的报道,目前世界上现役的大型预警机包括:美国E-3预警机、俄罗斯A-50预警机、澳大利亚“楔尾”预警机、以色列G500/G550“费尔康”预警机,以及中国的空警-2000预警机等。


其中,中国空警-2000技术全球最为先进。按空警-2000总工程师话说:“20公里外划根火柴都能清晰可见!”,空警-2000预警机装备有源相控阵三坐标雷达,采用固定式碟形天线,以电子扫描的方式进行不间断目标探测和跟踪,传统机械扫描雷达远远不能及,角分辨性能世界第一。


比如美国E-3C型,其传统机械转动天线每分钟转5~6圈,对单一目标扫描周期10秒,确定一个目标并建立起跟踪航迹需要3~6次扫描,用时30~60秒。而空警-2000的电子扫描方式天线不需转动,完成全部过程仅需数秒,而且空情数据刷新率远高于E-3C。新空警-2000可360度全方位覆盖搜索,同时探测和追踪数百个空中、地面、海上目标,并引导数十批次的攻击。


但空警-2000也有不足之处,比如航程仅5500公里,留空时间不足8小时,而美军E-3C预警机采用经济性更佳的波音707客机改装,E-3C在不进行空中加油的情况下航程7400公里,最长留空时间长达11.5小时,还可以进行空中加油,可延长航程。


二、世界高度领先水平——北斗差分仪:


中国的北斗差分仪精度从10米升级到1米,配合地基增强系统精度将达到厘米级,并且拥有短信功能,中国的技术远远超越美国GPS 北斗差分仪不仅仅是世界第一,更是绝对的世界领先水平。


所谓差分北斗卫星导航系统,是在北斗卫星导航系统(BDS)基础上利用差分技术研制的,借助无线电指向标播发差分修正信息,以达到更加高精度定位服务,能够为航海带来更多的保障。在研发过程中,中国的研究人员攻克了北斗二代高精度定位技术、北斗二代微距差分改正技术、双模高精度MSK调制解调技术等,最终将其精度达到1米以内。这样的精度已经达到领先于全球的定位系统(GPS)。


随着北斗卫星导航系统的功能进一步完善,将会为航海领域带来极大的变化。未来差分北斗卫星导航系统将会在多领域,包括:海洋测绘、港口航道测量、航道疏浚、船舶进出港及狭窄水道导航定位、海上交通安全管理、海上石油勘探、海洋资源调查、海上救助捕捞、海洋渔业等行业发挥非常重要作用。


三、全球领先的微晶钢(超级钢)技术


中国位居全球领先地位,中国是目前世界上唯一实现超级钢铁工业化生产的国家。值得一提的是,全球其他国家的超级钢尚未走出实验室阶段,尽管性能未必比我们差,重要的未能实现工业化。


我国的微晶钢(超级钢)重要特点是:低成本、高强韧性、环境友好、节省合金元素和有利于可持续发展,因此,被视为全球钢铁领域的一次重大革命。


超级钢中厚板,大多用于造船、建筑、桥梁、光伏支架等行业,来替代传统的普通板材。高强度船板可以减轻船体重量,增加载货量;低成本、高性能桥梁板有利于桥梁结构的优化设计,让桥梁更加坚固耐用。采用超级钢热轧带钢产品可以减重节材,比如宝钢梅山超级钢板卷、钢管研发成功,用6mm超级钢钢管替了代8mm厚度低合金钢管,抗撞击性能大大优于普通的结构钢,并且用在了国家重点工程上海东海大桥,由于钢板减薄后,大大降低了大桥整体自身重量。


超级钢可以用于汽车减重,经济效益十分明显。纵梁是汽车卡车的关键承重部件,假如将500MPa级超级钢用于卡车纵梁,可大幅度减轻车身自重。


四、全世界独一无二的3D打印大型钛合金构件


全世界仅中国一家。所谓高性能金属构件激光增材制造技术( 俗称3D 打印)技术,是一种将“高性能材料制备”与复杂金属零件近净成形有机融为一体的数字化、绿色、变革性先进制造新技术。与传统的锻压+机械加工、锻造+焊接等大型金属构件制造技术相比,具有制造流程短,综合力学性能优异,材料利用率高,生产成本较为低廉等一系列优点,在某些方面可代替价格极为昂贵的大型锻铸工业装备,近20年来已成为国际材料加工工程与先进制造技术学科交叉领域的前沿研究热点。


美国政府和工业界甚至将3D打印技术列为引发新一轮工业革命的21世纪关键技术。在中国,3D打印技术不断获得重大突破,并获得了一系列具有国际领先水平的重大成果。比如北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室在王华明院士团队率领下,经20余年的不懈研究,在全球率先为中国航空发动机技术赶超发达国家做出新的贡献。


2005 年以来,激光增材制造钛合金飞机机身主承力框、翼身根肋、起落架等大型整体关键承力构件,在海空军新一代战斗机,大型运输机、运载火箭等航空航天重大装备研制和生产中获得了大量应用。


中国已研制成功具有原创核心技术、世界最大的激光增材制造设备(成形能力达7米×4米×3.5米),以及世界最大的16平方米3D打印(某大型轰炸机)某发动机钛合金加强框。在2016年1月18日,王华明院士主持的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”项目获得国家技术发明一等奖。


军事观察者根据国内外公开资料推断,王华明院士在我国新一代重型和中型隐身战斗机用发动机关键部件:高温钛合金双性能整体叶盘也获得了重大进展,采用了激光快速成形双相钛合金“ 特种热处理”新工艺, 激光增材制造出了具有梯度组织和梯度性能的先进航空发动机钛合金整体叶盘,具有极为优异的综合力学性能。


新一代高性能军用飞机的优异作战性能,高度依赖先进高推重比航空发动机的应用,而将发动机叶片、轮盘等零件集成设计为一个整体构件,可大幅减少零件数量,减轻结构质量,从而提高发动机的推重比和使用可靠性。有资料认为,与传统的榫齿连接结构相比,每个整体叶盘可减重约30%。


五、世界上最轻固态材料—超轻凝胶


浙江大学高分子系高超教授的课题组制备出了一种0.16毫克/立方厘米的超轻气凝胶,它刷新了目前世界上最轻固态材料0.18毫克/立方厘米的纪录,密度小于氢气。


气凝胶,是入选吉尼斯世界纪录最轻的一类物质,因内部有很多孔隙,充斥着空气,因此得名。1931年,美国科学家曾经用二氧化硅制得了最早的气凝胶,外号称“凝固的烟”。2011年,美国HRL实验室、加州大学欧文分校和加州理工学院合作制备了一种镍构成的气凝胶,密度为0.9毫克/立方厘米,创下了当时最轻材料的纪录。当时把这种材料放在蒲公英花朵上,柔软的绒毛几乎没有变形。这张照片入选了《自然》杂志年度十大图片。


六、世界上唯一一个完成临床试验的人造生物角膜产品


中国2013年完成世界首次人造生物角膜临床试验。中国著名眼科专家、北京同仁医院邹留河教授曾经主持了 “人工角膜”的临床试验总结会议。该“人工角膜”的临床试验由国内著名的眼科临床医院担任临床试验工作,以北京同仁医院牵头,由四川大学华西医院、河南眼科中心、武汉协和医院等医院参与。多中心临床试验数据显示,总有效率达到94.5%;经过临床试验观察,“人工角膜”的愈后效果已经接近人体角膜。


该产品是组织工程的前沿产品,可以替代人捐献角膜,这是目前世界上第一个也是唯一一个完成临床试验的高科技人工角膜产品,该产品完全由我国科学家自主研发并拥有完整的自主知识产权。


据世界卫生组织统计,全球共有角膜盲患者超过千万,中国也有数百万患者。患者重见光明的唯一办法是移植捐献获得的异体人角膜,但是当时全国人捐献角膜每年仅3000例,远远无法满足病人的需要。


七、世界上首个存储单光子量子存储器:


世界首个单光子量子存储器在中国诞生。并且中国科学技术大学郭光灿院士团队研究组李传锋、周宗权首次研制出 " 按需式读取 " 可集成固态量子存储器,存储保真度达到 99.3%±0.2%,该成果于去年 12 月 28 日发布在国际知名期刊《物理评论快报》上,对于实现大容量量子存储、构建量子网络意义十分重大。中国在量子网络建设中表现十分出色,处于全球领先地位。


2014 年,中国研发的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至 200 公里,刷新世界记录。


2016 年,中国发射全世界首颗量子科学实验卫星。


2017 年,世界首条量子保密通信干线 " 京沪干线 " 开通,并与 " 墨子号 " 量子卫星结合,实现人类首次洲际距离且天地链路的量子保密通信。此次中国科学技术大学郭光灿院士团队研究组李传锋、周宗权首次研制出 " 按需式读取 " 可集成固态量子存储器,突破点在于 " 按需式读取 ",指的是光子写入存储器之后可以根据需求决定读出的时间。这是国际上首次实现按需式读取的可集成固态量子存储器。


八、中国磁体技术成为世界顶级技术:


中国脉冲强磁场实验装置开放 磁体技术世界顶级。华中科技大学承建的国家脉冲强磁场科学中心,成为第一拨“吃蟹人”,他们突破重重障碍,在2014年顺利通过国家验收,结束了我国强磁场下科研长期依赖国外装置的历史。


华中科技大学创造了64T脉冲平顶磁场强度世界纪录,让中国强磁场技术走在世界前列,特别是在电源设计和磁体技术方面取得的成就位列世界顶级水平。国家脉冲强磁场科学中心(筹)主任李亮教授介绍,强磁场与极低温、超高压一样,被列为现代科学实验最重要的极端条件之一。近100年来,全球各国学者在强磁场条件下的科学研究一直非常活跃,在物理、化学、材料和生物等领域取得了大批原创性重大成果。


九、中国量子黑客隐患研究世界领先


中国解决了量子黑客隐患,成果在国际权威杂志上发表。由量子信息与量子科技前沿协同创新中心潘建伟院士及其同事张强、陈腾云与清华大学马雄峰等组成的联合研究小组,利用与美国斯坦福大学联合开发的高效低噪声上转换单光子探测器,在国际上首次实现了测量器件无关的量子密钥分发,成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患,大大提高了现实量子密钥分发系统的安全性。该研究成果发表在2013年9月24日出版的国际权威物理学期刊《物理评论快报》上。


量子密钥分发,以量子物理与信息学为基础,被认为是安全性最高的加密方式。尽管量子密钥分发在理论上具有无条件安全性,由于原始方案要求使用理想的单光子源和单光子探测器,在现实条件下很难实现,导致现实的量子密钥分发系统可能存在各种各样的安全隐患。


中国的研究小组2007年在国际上首次实现百公里量级的诱骗态量子密钥分发,成功解决了非理想单光子源带来的安全性漏洞,探测器的不完美性成为“量子黑客”的主要攻击点,国际上多个小组提出了“时间位移攻击”、“死时间攻击”和“强光致盲攻击”等针对探测系统的攻击方案。尽管所有已知的量子黑客攻击均可以通过对现有量子密码系统的适当改造加以防御,但在理论上安全隐患仍然存在。


潘建伟小组发展了独立激光光源的干涉技术,并与美国斯坦福大学联合开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器——基于周期极化铌酸锂波导的上转换探测器,同时结合清华大学马雄峰教授的理论分析,在世界上首次实现了测量设备无关的安全量子密钥分发,该实验先天免疫于任何针对探测系统的攻击,完美地解决了探测系统的安全隐患问题。另外,该实验系统兼顾采用诱骗态方案,同时保证了非理想光源系统的安全性。


十、中国在世界上首次实现雷达三维成像


中国在世界上首先实现对车辆的雷达三维成像(机载式)。所谓雷达获取三维成像,尤其是对复杂结构的人造目标,实现高分辨三维成像,和提高其高维度的分辨力,一直是雷达学界的研究热点与难题。国防科大王雪松及其团队人员邢世其等,2013年在国际上首次实现了对军事车辆等典型人造目标的三维高分辨极化层析成像,雷达对目标的高度分辨力达0.45米,为当时公开报道的最高水平。该结果发表在遥感领域国际顶级期刊——IEEE GRS汇刊上。


雷达获取感兴趣目标的图像,对提升自动目标识别系统的性能具十分重要的意义。当时应用较为广泛的雷达二维成像技术,难于复杂结构的人造目标进行成像时的识别。激光雷达成像,覆盖面太小,作用距离较近,难以实现远距离大范围目标探测。


十一、中国科学家成功观测到“量子反常霍尔效应”


清华大学薛其坤院士领衔的团队2013年成功观测到“量子反常霍尔效应”。由薛其坤院士领衔,清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队,历时4年完成的研究报告,并在《科学》杂志在线发表。这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果,是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后,世界上首次实现的反常霍尔效应的量子化,也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。


量子霍尔效应一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。自美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应之后,不少科学家凭借在此领域的重要发现斩获大奖。1980年,德国科学家冯•克利青发现整数量子霍尔效应,于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现了分数量子霍尔效应,这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释,三人共同分享了1998年诺贝尔物理奖。


十二、世界首台拟态计算机:


其灵感来自章鱼。中国工程院院士邬江兴带领500余人团队历时6年潜心研究完成的“新概念高效能计算机体系结构及系统研究研发”项目,通过了科技部的验收,标志着世界上第一台拟态计算原理验证样机的研制成功。拟态技术的灵感来源于生活在东南亚海域的拟态章鱼,该章鱼为了适应环境可以模拟至少十五种动物。邬江兴教授及其团队提出了基于拟态计算的主动认知可重构体系结构,研制出了世界上第一台拟态计算机的原理机。


拟态计算机的最大特点是高效能。测试表明,针对特定运算任务的能效比可提升数十倍到数百倍。


十三、中国成为深紫外全固态激光器唯一的实用化国家


中国成为当时唯一能实用化制造国家。深紫外激光波段(DUV)是指波长短于200纳米的光波,具有能量分辨率高、光谱分辨率高、光子通量密度大等特点。


深紫外激光技术在物理、化学、材料、生命等领域有重大应用价值。“缺乏实用化、精密化激光源,影响了DUV科研装备和前沿研究的发展。当时经过10余年努力,中科院的科研人员在国际上首先生长出大尺寸氟硼铍酸钾晶体(KBBF)。经测试,该晶体是第一种可用直接倍频法产生深紫外波段激光的非线性光学晶体。许祖彦院士研究组与陈创天院士研究组合作,在此基础上发明了KBBF晶体的棱镜耦合技术,即无需按照匹配角斜切割,即可实现激光倍频输出。


KBBF晶体的棱镜耦合技术,使获取实用化的激光元器件成为可能。该技术已经获得中、美、日3国发明专利授权,保证了中国在深紫外激光输出的全球领先地位。


十四、中国研制出世界上唯一的JF12激波风洞:


中国研制成功世界唯一的JF12超高音速激波风洞,试验时间100毫秒甚至于三倍于国外。中国航空航天领域发展起步晚,但JF12激波风洞成为世界上性能最先进的高超声速气动试验装置,被全球同行称为“高超巨龙”(Hyper-Dragon),印证了中国的航空航天实验技术有了和世界强国拼比的实力。


国际著名激波管技术专家、国际激波研究院创始人高山和喜教授对 JF12 复现高超声速飞行条件激波风洞曾经的赞誉是:这个设备是世界唯一的,不仅在于它产生的流场区域大、气流速度高、试验时间长,更重要的是应用了最独特的爆轰驱动技术,克服了自由活塞驱动技术的弱点,“JF12 激波风洞从概念、设计、加工、安装、调试、性能试验到现场测试历时4年。


十五、中国领先的干细胞克隆生物科技


北京大学邓宏魁教授领导的团队2013年成功使用4种小分子化学物质,将小鼠的皮肤细胞诱导成全能干细胞并克隆出后代。(邓宏魁团队使用小分子化学物质替代病毒,大大提高了技术安全性,具有革命性意义。)


十六、中国研制的碳纳米管创造了新的世界纪录


清华大学魏飞教授团队成功制备出单根长度达半米以上的碳纳米管,创造了新世界纪录,这也是当时所有一维纳米材料长度的最高值。


碳纳米管是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一,有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。其单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍,远远超过其他任何材料。这种优异的力学性能在超强纤维、防弹衣等领域有着广阔的应用前景。十几年前,《科学美国人》杂志曾提出一种十分诱人的梦想:假如在地球与月亮之间搭建一座天梯,跨越如此长的距离而不被自身重量拉断的材料,只有碳纳米管。无疑,实现上述梦想的前提是批量制备出具有宏观长度、并且具有理论力学性质的碳纳米管,单根长度达到米级甚至公里级以上。


为实现这一梦想,全球科学家就制备长的碳纳米管进行了大量艰苦探索。清华机械系、物理系、化工系先后制成了20cm级别长度的碳纳米管束(碳管不连续)或单根碳纳米管,一直处于全球领先水平。


此后,该团队充分发挥材料制备和化工技术学科交叉的优势,在制造设备、制备工艺方面进行了大量改进和创新,首次将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上,终于成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管,创造了新的世界纪录。


十七、中国研发出世界第一个半浮栅晶体管(SFGT)


复旦大学微电子学院张卫教授团队研发出世界第一个半浮栅晶体管(SFGT),并且在国际顶级学术期刊上发表了第一篇微电子器件领域的原创性成果。


集成电路科技的发展主要是基于摩尔定律,该定律是由英特尔公司创始人之一戈登.摩尔提出的:芯片上的晶体管特征尺寸在不断地缩小,使得芯片上的晶体管数量每隔18个月便会增加一倍。


金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)是目前集成电路中最基本的器件,工艺的进步让MOSFET晶体管的尺寸不断缩小,而其功率密度也一直在升高。比如常用的U盘等闪存芯片则采用了另一种称为浮栅晶体管的器件。闪存又称“非挥发性存储器”,所谓“非挥发”,就是在芯片没有供电的情况下,信息仍被保存不会丢失。


这种器件在写入和擦除时都需要有电流通过一层接近5纳米厚的氧化硅介质,因此需要较高的操作电压(接近20伏)和较长的时间(微秒级)。复旦大学科学家们把一个隧穿场效应晶体管(TFET)和浮栅器件结合起来,构成了一种全新的“半浮栅”结构的器件,称为半浮栅晶体管。


十八、完成世界上单个卵细胞高精度基因组测序


中国首次完成人类单个卵细胞高精度基因组测序可助试管婴儿活产率翻倍。世界生命科学领域的权威学术杂志《细胞》之前对外发布,来自中国北京大学的科研团队,在全球首次完成了人类单个卵细胞高精度基因组测序。这项技术可帮助医生检测出遗传过程中来自母亲的遗传病,并有可能将试管婴儿的生产成功率从目前的30%提高到60%。


据《细胞》杂志披露,北京大学的科学家们完成了对单个卵细胞的高精度全基因组测序,这成为一项里程碑式的工作。该项研究由北京大学第三医院乔杰教授、生物动态光学成像中心汤富酬教授和谢晓亮教授所领导的三个研究小组共同完成,谢晓亮同时也是哈佛大学教授。


人类的遗传信息存在于每个细胞的DNA中,DNA是由四种不同的核苷酸组成的长链。这些核苷酸的组合和序列组成了遗传的基本功能单位——基因。无论在基础研究还是临床应用上,对细胞中所有基因序列(全基因组)的测定都是极其重要的。由于单个细胞中仅含有每个基因的两个拷贝,因此对单个细胞进行全基因测序是非常困难的。


在《细胞》杂志的报道中显示,北大团队巧妙地利用了卵细胞成熟、受精过程出现的独特的结构——极体,它是卵细胞分裂的副产物,并且不参与卵细胞后续的正常发育过程。该团队研究人员发现了一个新的方法,通过对极体的全基因组测序推断出在受精卵中母源基因组的情况,从而选择出一个正常的胚胎进行移植


2011年,《自然方法》杂志将单细胞测序列为年度值得期待的技术之一,2013年,《科学》杂志将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首。中国科学家在基因组测序领域已经走在了世界领先位置。2012年,北京大学研究人员首次实现高覆盖度单个精子全基因组测序,这项工作首次实现了高覆盖度的单个精子的全基因组测序,构建了迄今为止重组定位精度最高的个人遗传图谱,并且解决了一个困扰学术界多年的问题,即基因区附近重组率的降低是由于分子机制而非自然选择造成的。


十九、全球首台云计算机“紫云1000”在中国诞生:


全球首台“云计算机”——“紫云1000”在中国问世,储存空间85PB,标志着中国在云计算核心技术领域取得了重大突破。


“紫云1000”由紫光股份有限公司技术团队经过近2年的努力研发成功,拥有自主的知识产权。人类信息总量和历史积累呈爆炸式增长,现有IT基础设施已无法驾驭,如何存储、计算、管理并检索非结构化的海量数据,成为信息产业急需解决的重要问题。


紫光股份率先提出了“云计算机”的概念:它采用与个人计算机和超级计算机完全不同的分布式体系架构,借助于“云计算”的虚拟化技术,由多个成本相对较低的计算资源融合而成,其计算能力和存储能力可动态伸缩并无限扩展。云计算机可高效支持大数据处理、高吞吐率和高安全信息服务等多类应用需求,其计算能力和存储能力可动态伸缩,并可无限扩展。


该云计算机将带来全新的用户体验:完全开放式的特性兼容各种通用硬件和各类行业应用软件;存储和计算能力可根据客户需求动态伸缩,无限扩展;并且与传统IT系统部署相比,可节省90%以上的时间。比如用传统的硬件和软件部署一个云计算大数据的系统时,需要一个10人以上的熟练IT技术团队,耗费1个月甚至几个月的时间来搭建硬件平台、并在其上安装虚拟化软件和云管理平台。假如使用“紫云-1000”云计算机,从加电至部署完成仅需1名熟练的技术人员几个小时即可。


二十、中国科学家在国际上首次“看到”氢键:


中科院国家纳米科学中心2曾经宣布,该中心科研人员在国际上首次“拍”到氢键的“照片”,实现了氢键的实空间成像,为“氢键的本质”这个化学界争论了80多年的问题提供了直观证据。为科学家理解氢键的本质,进而改变化学反应和分子聚集体的结构奠定了基础,也为科学家在分子、原子尺度上的研究提供了更精确的方法。


这个成果发表在《科学》杂志上,被评价为“一项开拓性的发现,真正令人惊叹的实验测量”“是一项杰出而令人激动的工作,具有深远的意义和价值”。


这项研究是由国家纳米科学中心研究员裘晓辉和副研究员程志海领导的实验团队,以及中国人民大学物理系副教授季威领导的理论计算小组合作完成的。


裘晓辉介绍说,氢键是自然界中最重要、存在最广泛的分子键相互作用形式之一,对物质和生命有至关重要的影响——因为氢键的存在,水才在常温下呈液态,冰才能浮在水面上;也正因为氢键的存在,DNA才会“扭”成双螺旋结构;很多药物也是通过和生命体内的生物大分子发生氢键相互作用而发挥效力。


人类对氢键的研究历史最早可以追溯到19世纪后半叶,自从诺贝尔化学奖得主鲍林在1936年提出“氢键”概念后,化学家们就一直在不断争论:氢键仅仅是一种分子间弱的静电相互作用、还是存在有部分的电子云共享?因此,在此之前,从来没有人真正地看到过氢键。


裘晓辉带领的研究团队对一种专门研究分子、原子内部结构的显微镜——非接触原子力显微镜进行了核心部件的创新,极大提高了这种显微镜的精度,最终首次直接观察到氢键,为争论提供了直观证据。


“利用改造之后的显微镜,我们可以看到头发丝百万分之一那么微小的结构。”裘晓辉说,“我们团队的研究人员手工制作了显微镜的探针、自制了核心部件‘高性能qPlus型力传感器’等,这相当于给汽车换上了我们自己制造的发动机,让这台仪器的关键技术指标达到国际上该领域的最高水平。”


二十一、世界新一代相变存储芯片:


中国企业发布新一代相变存储芯片 打破美韩核心技术垄断。宁波时代全芯科技有限公司之前发布了自主研发的55纳米相变存储芯片,成为继韩国三星、美国美光之后,世界上第三家、中国第一家拥有相变存储技术自主知识产权的企业。业内人士认为这将有利于打破存储器芯片生产技术被国外公司垄断的局面。相变存储技术是第四代存储技术,比现有传统芯片执行速度快1000倍,耐久性高1万倍。


从静态随机存储技术(SRAM)到动态随机存储技术(DRAM)再到当前热门的闪存技术(Flash),人类对于存储性能的追求是无止境的。

相变存储技术的原理是利用存储材料在晶态和非晶态下的导电性差异,实现对数据的存储。与传统存储技术相比,相变存储可以将存储器的体积大大缩减。假如以全球搜索巨头谷歌为例,采用这种新技术后,原来3个足球场大小的存储器可以“浓缩”到一个20平方米的房间里。


PCM是一种“非易失性存储器”,与第三代的闪存技术一样具有非挥发性,但又比闪存更耐用。闪存的寿命通常约为10万次读/写,这对于许多高端存储应用来说是远远不够的。相比之下,PCM的耐用性数千至数百万倍于闪存,这让PCM在企业级存储应用中拥有了更多用武之地。


二十二、中国科学家算出世界最精确万有引力常数


罗俊院士三十年在山洞搞科研,并且算出世界最精确万有引力常数。在长年不见天日的喻家山人防山洞内,华中科技大学常务副校长、中国科学院院士罗俊,带领团队30年如一日,展开了引力精密测量研究。他的团队取得的万有引力常数值,是国际上精度优于50ppm(1ppm是百万分之一)的七个结果之一;其引力实验室也被外国专家称为“世界的引力中心”。


华中科技大学在人防山洞内,在潮湿阴冷、幽暗环境之地下,诞生了一座世界知名的引力实验室。


万有引力常数G是人类最早认识和测量的物理学基本常数,也是迄今为止测量精度最差的常数,备受各国科学家关注。


1983年10月,华中科技大学开始筹建引力实验中心。由于引力实验对恒温、隔振、电磁屏蔽等要求极高,时任院长朱九思听取陈应天教授的建议,决定把实验室建在喻家山下的人防山洞中。


2005年,团队开始冷原子干涉重力测量实验。现在,他们研制的冷原子干涉重力仪分辨率已居于全球先进水平。


1990年,罗俊赴俄罗斯参加由11国代表组成的日全食考察团。他利用精密扭秤进行了日全食反常效应观测,随后又进行了带电扭摆特性研究。这两项实验结果,解释了长达30年之久的“引力异常之谜”。


1994年,罗俊在美国第七届广义相对论格罗斯曼会议上报告了太阳中微子反常相干散射的实验和理论研究结果,否定了美国着名科学家马里兰大学韦伯教授的理论假说和实验结果。澳大利亚《西澳州报》称这是“对韦伯晶体理论致命的一击”。随着一个个有影响力研究成果的发布,引力实验中心的研究逐步走到世界科技前沿,国际地位稳步提升。“这里已成为世界引力中心。”来自美国华盛顿大学的保尔•波英顿教授参观中心时由衷赞叹。


二十三、北京谱仪发现四夸克物质震动世界


北京谱仪发现四夸克物质位列当年美国《物理》公布的2013年11大成果榜首。北京谱仪实验国际合作组(BESIII合作组)发现四夸克物质Zc(3900),这一成果被国际物理学顶级期刊、美国物理学会主编的《物理》杂志选为2013年国际物理学领域重要成果,在11个入选项目中位列第一。


北京正负电子对撞机上的BESIII合作组于2013年3月宣布发现了一个新的共振结构Zc(3900),因为其中含有一对正反粲夸克且带有和电子相同或相反的电荷,提示其中至少含有四个夸克——这极有可能是科学家们长期寻找的介子分子态或四夸克态。


国际物理学界高度评价了这一发现。《自然》杂志评论称“找到一个四夸克构成的粒子将意味着宇宙中存在奇特态物质”。《物理评论快报》发表题为《新粒子暗示存在四夸克物质》的评论,指出“如果四夸克解释得到确认,粒子家族中就要加入新的成员,我们对夸克物质的研究就需要扩展到新的领域。”


据了解,《物理》杂志每年会评选出一些真正在物理学界引起轰动的成果,综合考虑其在网络上的影响力、成果和发现的出人意料性或者衍生出更先进技术的可能性。



二十四、中国散裂中子源工程输出功率创国际首例


科技日报2013年从中国航天科工集团公司二院获悉,由该院23所承担的散裂中子源工程RFQ 4616V4电子管高频功率源项目设备日前通过验收,成为该工程首个通过验收的项目,填补了国内电子管工作于高频率、宽脉宽、高功率状态下的空白。


散裂中子源工程由中科院高能物理研究所牵头,是国家重大科技基础设施,建成后将在物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研和新型核能开发等领域,为我国基础研究和高新技术开发研究提供功能强大的研究平台。


RFQ 4616V4电子管高频功率源项目是散裂中子源工程首个对外正式签订项目。23所承接该项目后,经关键技术攻关、工程技术设计和系统调试与试验,实现了4616V4电子管及谐振腔在工作频率324MHz、重复频率25Hz、脉宽700μs的工作状态下,输出功率超过350kW,创造了国际首例。


二十五、全球首台商用石墨烯飞秒光纤激光器:


中国泰州巨纳新能源有限公司研制的商用石墨烯飞秒光纤激光器(Fiphene)问世,成为全球首台商用石墨烯飞秒光纤激光器。该激光器还创造了脉冲宽度最短(105fs)和峰值功率最高(70kW)两项石墨烯飞秒光纤激光器世界纪录。


飞秒光纤激光器的应用领域非常广阔,包括激光成像、全息光谱及超快光子学等科研应用,以及激光材料精细加工、激光医疗(如眼科手术)、激光雷达等领域。传统的飞秒光纤激光器核心器件——半导体饱和吸收镜(SESAM)采用半导体生长工艺制备,成本很高,且技术由国外垄断。


在飞秒光纤激光器领域,石墨烯被认为是取代SESAM的最佳材料。2010年诺贝尔物理学奖获得者撰文预测石墨烯飞秒光纤激光器有望在2018年左右产业化。要实现真正的产业化,需要解决高质量石墨烯制备、大规模低成本石墨烯转移、石墨烯与光场强相互作用、石墨烯饱和吸收体封装以及激光功率稳定控制等一系列关键技术。


巨纳新能源有限公司经过多年持续研究,成功攻克了这些关键技术,率先实现了石墨烯飞秒光纤激光器的产品化,主要性能指标均高于同类产品,具有很高的性价比和很强的市场竞争能力。


二十六、中国5G通讯技术全球领先


2020年,中国的基站建设规模居全球首位,这是工信部副部长刘烈宏在2020年世界5G大会上的介绍。中国已累计开通5G基站超过70万座,终端连接数超过1.8亿个。


自商用以来,中国5G的覆盖越来越广。比如在海拔6500米的珠峰营地部署5G网络,覆盖了珠峰峰顶,保障2020珠峰高程测量登山队登顶作业;部署的5G煤矿专网,先后实现了在地下534米至地下800米的网络覆盖,完成多个5G+智能煤业应用创新。


全球移动通信系统协会(GSMA)一直高度关注中国的5G发展。GSMA大中华区战略合作总经理庞策告诉记者,中国的5G终端连接数全球领先,预计在2020年底将达到2亿,占全球5G连接总数超过85%。


中国消费者智能手机购买量占比超过全球30%,全球75%的智能终端来自中国。国内三大运营商在独立组网领域持续发力,建设进度远超其他国家。中国移动已建成全球最大规模5G独立组网网络。虽然5G技术尚未在全世界普及,但一些国家已经启动了6G技术的研发。美国电信行业解决方案联盟邀请苹果、英特尔、谷歌等科技巨头企业组建“6G联盟”。中国也于去年11月,由科技部会同发改委、工信部等部门组织了6G技术研发工作启动会。另据公开资料,华为、中兴等也成立了6G研发团队,对一些关键技术进行攻关。根据预测,6G技术面世需要大约10年时间。2030年前,5G仍将是最主要的通信技术。


二十七、中国特高压输电技术全球领先


中国在2013年9月25日,世界首条1000千伏同塔双回特高压交流工程——皖电东送正式投运。它标志着我国在特高压输电技术上已独步全球。特高压输电工程的建成,在世界能源、电力输送以及电工制造多个领域,引发的震动不亚于八级地震。


诺贝尔物理学奖获得者、美国时任能源部长朱棣文,在华盛顿对媒体发表题为《能源领域竞争正在成为美国新的卫星时刻》演讲时说道:“中国挑战美国创新领导地位并快速发展的一项重要领域,就是最高电压、最高输送容量、最低损耗的特高压交流、直流输电。” 国际大电网委员会(CIGRE)秘书长让·科瓦尔认为特高压交流工程的投运“是电力工业发展史上的一个重要里程碑。”这是迄今为止国际权威人士给予特高压的最高评价。


所谓的特高压输电技术,就是指用非常高的电压,对电能进行长距离输送的技术。从国际标准来看,当输电线路的交流电压超过500千伏时,就可称为“超高压输电”。中国已经成熟应用的输电电压,甚至已经达到了交流1000千伏、直流800千伏以上的水平,远远超越欧美日等技术强国。


输电线路中的电压越高,沿途输送电流过程中损耗的能量就越小。建设大量节能的特高压输电线路,对经济发展十分重要。迄今为止,全球经济及人口大国中,只有中国真正建成了特高压输电线路,并投入实际应用。造成如此局面的重要原因,就是特高压输电线路的建设施工难度极高。值得一提的是,中国实现全线贯通的“±800千伏昆柳龙直流工程”,这条线路是世界上迄今为止建成的,第一条特高压多端混合直流输电工程线路。



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