过去一年,黑洞照片、“超级地球”、三维量子霍尔效应、“临界冰核”等8大基础研究突破,5个与中国有关!

(MAAMX.COM报道)在基础科研方面,2019年屡获新突破,不断拓宽人类对宇宙演化、物质结构、生命起源和意识本质等重大科学问题的认知。8大突破影响深远,其中5个与中国有关。

一、首张黑洞照片问世,进一步验证了广义相对论

北京时间2019年4月10日21时,由包括中国天文学家在内的多国科研人员参与的事件视界望远镜组织(Event Horizon Telescope Collaboration,简称EHT)在美国华盛顿,比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京等世界六地同步发布人类期待已久的首张黑洞照片。

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这张黑洞图像也使得一百多年前爱因斯坦提出的广义相对论再次得到了试验验证。

二、科学家首次在“超级地球”大气层发现水蒸气

2019年9月11日讯,美国宇航局/欧空局的哈勃太空望远镜环绕地球运行。加州大学洛杉矶分校的研究人员首次在名为K2-18b的太阳系外行星的大气层中发现水蒸气。K2-18b距离地球111光年,可能是有外星生命存在的“放大版地球”,被形容为可能是“超级地球”,也就是可能支撑生命的巨大岩石行星。

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这是第一颗人类已知有水的系外行星,也是目前所知的宜居可能性最大的系外行星。

三、首次观测到三维量子霍尔效应

合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心(ICQD)和物理系的乔振华教授与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda Gu教授等理论与实验合作,在碲化锆(ZrTe5)块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。这一重要研究成果2019年5月9日在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。

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这一工作终于将经历了30余年等待的三维量子霍尔效应这一预言展现于世人面前。在这个效应中,由于维度的不同,现象背后的微观物理机制也展现其新颖与诱人的方面。该发现有望为未来的凝聚态物理的发展注入新的活力。

四、发现热传递的第四种方式,实现声子真空传热

传热一共有三种方式,热传导、热对流、热辐射。如今,这一教科书上的知识要被改写了。2019年1月,美国加州大学伯克利分校教授、香港大学校长张翔带领的研究团队,首次通过实验证实了在纳米尺度下、发生在真空环境中的声子传热。这宣告着,经过几十年、几代科学家的不懈努力,人类终于成功发现并捕捉到了这种全新的传热方式。

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这不仅是基础科学的突破,也将有望对现代集成电路、微加工、高精度显微镜、数据储存等诸多领域的发展产生深远的影响

五、首次证实水结冰过程中“临界冰核”的存在

2019年12月19日,《自然》发表了一项关于自然界中相变成核现象的研究成果。来自中科院化学所和国科大等单位的研究人员,首次通过实验证实了水结冰过程中临界冰核的存在,并给出了临界冰核的尺寸和过冷温度的关系,这一成果与经典成核理论预言高度契合。这项实验研究所得结果与理论计算高度相符,和使用纳米颗粒种类、材质等因素无关,结论具有普适性,不仅确定无疑地证实了临界冰核的存在,而且可以成为研究其他相变成核问题的普遍方法。

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这项研究在理论上加深了对水结冰机理、相变现象乃至统计物理中宏观和微观关系等方面的理解;同时,在细胞和组织的低温冻存、维持疫苗在生产和输运过程中的高活性以及飞机等交通工具的防冰涂层上有重要应用价值。

六、首次合成世界第一个含 18 个碳原子的纯碳环

2019年8 月 15 日,Sicence 发表了牛津大学化学系与 IBM苏黎世研究实验室合作的一项成果,他们合成了世界上第一个完全由碳原子构成的环状分子——C18 ,其中的 18 个碳原子通过交替的单键和叁键连接而成,早期研究发现C18 环分子具有半导体特性,这意味着类似的碳直链结构可能可以成为分子级别的电子元件。

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对这种被称为环碳的分子性质进行的初步研究表明,它具有半导体的功能,可以使类似的直碳链成为分子级电子元件。这是一项“绝对令人震惊的研究工作”,开辟了一个新的研究领域。

七、基因研究首次论证现代人类确切起源地

2019年10月28日,英国《自然》杂志发表了一项演化学论文,澳大利亚科学家瓦妮莎·海斯,通过对1217人进行血液采样,分析一种名为“L0”的线粒体DNA,首次把现代人类的起源地指向20万年前的马卡迪卡迪湿地。

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这项研究利用线粒体基因组数据,在博茨瓦纳北部赞比西河南岸,找到现代人类祖先的家园。这项研究为理解现代人类的演化补充了相关“时空背景”。

八、首次解析人类胚胎着床过程

一枚受精卵长成一个婴儿,需在发育的第7天左右着床才能存活,这期间的人胚胎细胞无法获取,难以解析。2019年8月22日,《自然》杂志登载了我国北京大学汤富酬与北医三院乔杰联合团队研究的最新突破,他们利用体外模拟人类着床策略和高精度单细胞测序技术,展现了“黑盒子”中的乾坤。

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团队首次对单细胞分辨率绘制的转录组和DNA甲基化组动态变化过程进行了重构,再现了人类胚胎着床过程,绘制出基因表达调控网络和DNA甲基化动态“全景图。

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