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2018年度陈嘉庚科学奖揭晓:小分子机器,纳米催化,超硬材料等获奖
特斯拉 2018-05-31
导语

2018年度陈嘉庚科学奖、陈嘉庚青年科学奖于5月30日下午在北京揭晓并颁奖,共有6个项目获得陈嘉庚科学奖,6位青年科学家获得陈嘉庚青年科学奖。

2018年5月30日下午,2018年度陈嘉庚科学奖及陈嘉庚青年科学奖颁奖仪式在中国科学院第十九次院士大会上举行。  陈嘉庚科学奖基金会官网 图

2018年度陈嘉庚科学奖、陈嘉庚青年科学奖于5月30日下午在北京揭晓并颁奖,共有6个项目获得陈嘉庚科学奖,6位青年科学家获得陈嘉庚青年科学奖。

陈嘉庚科学奖和陈嘉庚青年科学奖是由陈嘉庚科学奖基金会设立的,在中国科学院学部平台运作的科技奖励。陈嘉庚科学奖与陈嘉庚青年科学奖分别设立6个奖:数理科学奖、化学科学奖、生命科学奖、地球科学奖、信息技术科学奖和技术科学奖。 陈嘉庚科学奖每两年评选一次,每个奖项每次评选一项,如无符合标准的项目可以空缺。

这6个获奖项目的主要完成人分别是中科院物理研究所高鸿钧院士、中科院大连化学物理研究所/中国科学技术大学包信和院士、中科院遗传与发育生物学研究所李家洋院士、中国石油勘探开发研究院戴金星院士、西安交通大学徐宗本院士和中科院电子学研究所吴一戎院士、燕山大学田永君院士。

1.获奖项目:原子尺度上“小分子机器”在固体表面的构筑与物性调控

功能纳米结构的构筑对科技的发展有着重要的影响,利用功能分子构造 “小分子机器”一直吸引着人们的广泛兴趣。高鸿钧与合作者在原子/分子层次上系统研究了量子结构在固体表面上的组装、构造与物性调控。他们基于对Ge原子在Si(111)-7×7表面上的初期吸附、生长和结合位置确定等系统研究,构筑了(t-Bu)4-ZnPc分子在Au(111)表面上“抛锚”的、带有固定偏心轴的单分子转子及其有序阵列,实现了对转动行为的调控,为小量子体系在固体表面上的组装奠定基础;通过FePc分子在Au(111)表面的不同吸附位置实现了Kondo效应的调控,通过单个H原子的吸脱附,实现了对MnPc分子体系单个自旋量子态的可逆控制,并实现了极高密度信息存储(280 T/inch2)的原理性应用,拓展了自旋量子结构调控方法,显示了在自旋电子学及未来信息技术中的潜在应用前景;通过对MnPc分子进行“原子手术”而创制了一类分子量子体系,首次提出朗德因子(g)在原子尺度上可以具有空间分布的不均匀性。

2.获奖项目:纳米限域催化及其在甲烷直接转化中的应用

包信和教授带领纳米与界面催化研究团队从碳管限域的金属纳米粒子催化合成气制乙醇的探索开始,系统研究了纳米限域体系中催化剂活性中心结构、电子特性和催化性能的控制规律,率先提出了“纳米限域催化”概念。创造性地将具有高催化活性的单中心低价铁原子通过两个碳原子和一个硅原子镶嵌在氧化硅或碳化硅晶格中,形成高温稳定的“晶格限域”的单中心铁催化剂,实现甲烷在无氧条件下直接催化转化,一步生成低碳烯烃和芳烃等高值化学品;在合成气催化转化研究中,他们摒弃了延续九十多年的F-T路线,创造性地将控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心有效分离,使在氧化物表面生成的碳氢中间体在分子筛孔道的限域环境内发生受限偶联反应,实现了煤基合成气一步高效生产烯烃,低碳烯烃的单程选择性超过80%。这些突破性技术在烯烃合成领域被誉为“里程碑式新进展”,从原理上开辟了一系列天然气、煤和生物质等高效制备烯烃等高值化学品的新途径。进一步地,包信和带领的团队正在与国内外企业合作,积极探索这类新过程的工业应用。

3.获奖项目:水稻株型形成与稻米品质调控的分子基础

水稻是我国主粮作物,在保障国家粮食安全的战略需求中具有举足轻重的地位。水稻产量和稻米品质是多基因控制的复杂性状,阐明其调控网络并对其进行定向改良极具挑战。作物株型直接影响有效穗数和穗粒数,是控制产量的核心要素,而淀粉合成是影响稻米食用品质的关键。李家洋通过与合作者共同努力,揭示了控制水稻分蘖数目、株高、分蘖角度、穗大小以及穗粒数等株型特征的关键基因,系统研究了理想株型形成的分子机理,发现了理想株型形成的关键基因IPA1,其应用可显著提高水稻产量;阐明了稻米食用品质的精细调控网络,揭示了抗性淀粉合成以及稻米储存褐化的分子机理;建立了分子设计育种的理论和技术体系,应用理论研究成果高效精准的培育高产优质新品种,为解决水稻产量品质协同改良的难题提供了有效策略。

4.获奖项目:煤成气及鉴别理论

发现了腐殖型煤系,从低阶煤至高阶煤的成煤作用全过程中,成烃以气为主以油为辅的基本规律,仅中煤阶产少量轻质油和凝析油,从而创立了完整的煤成气理论,突破以前传统认为煤系不是烃源岩,为中国开辟了煤成气勘探新领域,从而发现了许多煤成大气田,使中国从贫气国迈向产气大国;突破了传统鉴别天然气仅以气组分,综合发展利用气液(轻烃、油)固(干酪根)三相中相关科学信息,论证并建立了识别煤成气、油型气和无机气系列指标、图版和公式的鉴别理论,为复杂地质条件下天然气成因鉴别提供了一套可信度大、精度高的方法;发现了中亚煤成气聚集域、亚洲东缘煤成气聚集域,域内煤系气源岩大区域、洲际性展布,气田分布富集规律相似、成藏条件相近,气源成因相同,故可用域内某区已知气田富集特征,预测域内未发现气田富集区,并科学预测了上述聚集域内中国区域大气田的发现。

5.获奖项目:基于L(1/2)正则化理论的稀疏雷达成像

突破传统奈奎斯特率采样下雷达成像是对地观测的重大需求。压缩感知展示了可能性,但其成像复杂度高于常用雷达,难实用化。获奖人原创地提出稀疏信息处理的L(1/2)正则化理论,证明 L(1/2)能在比L(1)更少的采样下实现稀疏信号重构,是L(p) (0<p<1)中唯一具有解析解且最稀疏的正则化格式,并存在快速算法,从而为解决广泛的稀疏信息处理问题提供了不同于传统的高效求解范式,形成了稀疏雷达成像的原创成像理论;提出基于雷达回波模拟算子的成像新原理,将原有稀疏雷达成像算法的单步迭代复杂性从N^2减少到log(N)N量级,实现了与常用雷达算法复杂性相当,为稀疏雷达的实用化带来了可能;提出稀疏雷达设计与评估的3D相位图方法,与L(1/2)重构和基于回波模拟算子成像一起构成稀疏雷达成像的系列核心新技术。据此研制成功全球首部稀疏雷达原理样机,开展机载实验应用,验证了新理论与新技术的正确性与有效性。L(1/2)正则化理论也已成功应用于CT成像、无线通讯、生物信息、地震信号处理、电力系统优化、城市交通、机器人跟踪、机器学习、图像处理、光谱解混、医学、脑科学、天文学与天文物理等广泛领域,展示了其普适性价值。

6.获奖项目:比天然金刚石更硬人工材料的合成

如何认识和逼近材料的性能上限是材料科学的重要主题。天然金刚石自6000多年前发现以来一直被认为是自然界中的最硬材料。寻找比天然金刚石更硬的人工材料一直是人类的梦想,许多学者曾认为实现这个梦想是不可能的。田永君及其合作者对共价材料的硬化机制进行了系统研究,建立了硬化的理论模型,发现多晶共价材料在纳米尺度可持续硬化,突破了材料硬化的传统认识,为大幅度提高材料的硬度指明了全新的发展方向。在此基础上,提出了在金刚石和立方氮化硼两种超硬材料中形成超细纳米孪晶组织来获得超高性能的新思路。通过洋葱结构碳和氮化硼前驱体在高温高压下的直接相变,合成出超细纳米孪晶结构金刚石和立方氮化硼。纳米孪晶显微组织同时提高了两种材料的硬度、韧性和热稳定性。纳米孪晶金刚石的硬度和韧性高达天然金刚石的两倍,极大推动了高性能超硬材料领域的研究,有望带来加工业和高压科学的技术变革。

2018年度陈嘉庚青年科学奖获奖人共6位,分别是北京大学教授江颖获陈嘉庚青年科学奖数理科学奖、中科院上海有机化学研究所研究员黄正获陈嘉庚青年科学奖化学科学奖、中科院上海药物研究所研究员吴蓓丽获陈嘉庚青年科学奖生命科学奖、中科院大气物理研究所研究员孙业乐获陈嘉庚青年科学奖地球科学奖、西北核技术研究所研究员常超获陈嘉庚青年科学奖信息技术科学奖、南京大学教授朱嘉获陈嘉庚青年科学奖技术科学奖。

1.获奖项目:轻元素体系的全量子化效应研究和调控

对于大多数材料体系,只需要考虑电子的量子化,原子核则被当做经典粒子处理。然而对于质量较小的轻原子核(比如氢核),其量子效应(隧穿和零点运动)会异常显著,因此必须同时考虑电子和原子核的量子化,即:全量子化。核量子效应会导致轻元素材料(比如水)出现许多反常特性,但精确、定量的表征核量子效应非常具有挑战性,关键原因在于缺乏原子尺度上的实验表征技术。江颖与合作者成功研发了一套同时对电子量子态和原子核量子态敏感的新型扫描探针显微术,突破了传统技术只局限于探测电子量子态的瓶颈;首次获得水分子的亚分子级分辨成像并在实空间实现了对氢核的定位;直接观察到水团簇内氢核的协同量子隧穿;国际上率先测定了氢键的量子成分,提出了“核量子涨落弱化弱氢键、强化强氢键”的普适物理图像。这些工作开创了原子尺度上核量子效应研究的先河,刷新了人们对水和其他轻元素材料体系的认知,并为量子物性的调控加入全新的自由度。

2.获奖项目:过渡金属催化的烷烃转化

烷烃是最基础化石资源。以低价值烷烃为原料,直接绿色制备高价值化学品的新转化技术具有重要的科学意义和应用价值。黄正研究员设计合成新型金属有机催化体系,发展小分子烷烃至高价值烯烃、烷基硅的催化转化方法,成功开发了一系列高活性分子型铱金属烷烃脱氢催化剂,并首次实现了烷烃到直链烷基硅的高区域选择性转化;同时发展了聚乙烯废塑料的温和可控催化降解方法,可将大量存在、对生态环境造成影响的聚乙烯废塑料转化为清洁柴油或高品质蜡,为聚烯烃废料资源再利用提供了新途径。黄正研究员的创新工作推动了金属有机化学与能源和环境领域的交叉与融合,促进烷烃资源更加清洁、高效利用。

3.获奖项目:G蛋白偶联受体的结构研究与药物研发

G蛋白偶联受体(GPCR)是人体内最大的膜受体蛋白家族,在细胞信号转导中发挥关键作用,与人体疾病密切相关,是最大的药物靶标蛋白家族,40%以上的上市药物以其为作用靶点。GPCR的结构是其功能研究的重要基础,也是药物研发的迫切需求,但其结构解析极具挑战性。吴蓓丽研究团队成功解析了艾滋病毒(HIV)共受体CCR5的晶体结构,揭示HIV与人体细胞的作用机制,并阐明不同药物的抗病毒机理,对于深入理解HIV感染机制和指导抗HIV新药研发具有重大意义。测定了重要的抗血栓药物靶标P2Y1R和P2Y12R的结构,首次发现位于受体分子外表面的全新配体结合位点,颠覆了对于GPCR配体结合模式的传统认知;阐明两种受体与不同药物的作用机制,将极大推动抗血栓新药研发。解析了首个B类GPCR全长蛋白的晶体结构,揭示该受体不同结构域对其活化的协作调控机制,对于全面了解GPCR的结构与功能关系具有重要意义。上述成果极大促进了GPCR信号识别、转导和调控机制等关键问题的突破性解决,并为相关药物发现提供结构基础。

4.获奖项目:中国大气复合污染的来源、形成机制及影响

孙业乐研究员系统全面地研究了以北京大城市为代表的中国大气复合污染理化特性、组分来源和形成机制。揭示了二次粒子包括硫酸铵、硝酸铵和二次有机气溶胶、夏季光化学反应和冬季液相反应在重污染形成中的作用;阐明了气象要素、二次粒子的快速生成及区域输送在细颗粒物快速增长中的关键作用;定量解析了本地排放和区域输送对北京重污染形成的贡献,并提出了一次和二次粒子演化机制概念框架模型;率先开展了城市边界层理化结构观测和研究,阐明了大气污染化学组分的垂直分布特征及与边界层气象的耦合作用;定量评估了大气污染成分对不同源排放控制措施的响应机制,支撑了我国大气污染的科学防治。

5.获奖项目:周期性表面和谐振磁场抑制电子倍增、提高HPM窗击穿阈值的方法和技术

高功率微波(HPM)在科研、民用和国防领域具有非常广阔的应用前景。HPM源须工作在真空状态,输出窗用于隔离内部真空和外界大气并辐射微波。HPM产生几十亿瓦峰值功率的微波传输至输出窗时,微波强场在窗真空侧触发电子倍增和等离子体雪崩,微波被吸收和反射、传输终止,窗材料击穿破坏。HPM输出窗击穿限制了HPM系统的最大辐射功率,已成为HPM技术进步的瓶颈和国际性挑战。

常超在国际上建立了HPM输出窗二次电子倍增、气体脱附层中等离子体雪崩理论模型,提出了周期性表面和谐振磁场两种抑制电子倍增、提高HPM窗击穿阈值的新原理和新方法。发明的超高功率容量窗,在几十亿瓦功率HPM实验中,证实可显著提高功率容量达4倍,突破了HPM系统功率容量瓶颈。研究成果获得IEEE NPSS Early Achievement Award等荣誉。

6.获奖项目:基于微纳结构的高效太阳能光热转换

在众多的能源形式中,太阳能作为一种可再生能源,一直是国际上的一个研究热点与前沿领域。微纳结构由于其特殊的尺度和形貌,显示出了完全不同于传统体材料的光、热、电学特性,给太阳能的转换与利用提供了全新的机遇。长期以来,朱嘉教授带领其研究团队围绕微纳结构调控、高效光热转换及其太阳能海水淡化方向开展研究,在Nature Photonics、Science Advances、PNAS、Advanced Materials等国际权威期刊发表一系列创新性成果,研究成果多次被Science、Nature、参考消息、MIT Technology Review、中国科学报等国内外学术、新闻机构作专题报道,并多次受邀在国际会议、著名学府及政府部门做专题报告,产生了一定的国际影响。

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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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