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　　增刊2近年来国内外重大科技新进展（新疆有色金属工业集团公司乌鲁木齐830000）20世纪是科学的世纪，21世纪是高科技的世纪。科学技术和人类的生存和发展息息相关。现代科学技术已经成为人类认识世界和改造世界的重要手段，成为我们在自然界和社会领域争取自由的有力武装。现代国际间的竞争是综合国力的竞争，关键是科学技术的竞争。要善于抓住机遇，加快发展，以实现十八大确定的建设中国特色社会主义的宏伟目标和实现中华民族百年复兴的伟大强国梦，科学技术是有力的保证和重要的依靠力量。因此，自觉学好科学技术，大力发展科学技术，应成为我们的一项紧迫的任务。认识世界-基础理论研究前沿1.1探索暗物质的实验1.1.1早在20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨兹威基（FritzZwick）通过观测星系时，发现星系的运行速度异常地高，通过计算，估算出星系团的总质量，是可见物质质量的100倍，即在该星系团中99%以上的质量是看不见的，只能通过引力感觉到它的存在。他将其称为“暗物质”。后来越来越多的观测都间接证实了暗物质的存在。1.1.2近年来研究暗物质存在的进展1.1.2.1阿尔法磁谱仪探寻暗物质的实验2013日，诺贝尔物理学奖得主，美藉华裔科学家丁肇中教授在欧洲核子中心（CERN）公布了阿尔法磁谱仪（AMS）在国际空间站上的首批实验结果。从2011年5月至2012年12月，在宇宙射线万，这一实验结果符合在宇宙中的暗物质粒子在碰撞湮灭时产生正电子的理论。在人类认识暗物质的道路上迈出了重要的一步，但还不能排除其它可能，还将进一步进行实验。实验团队概况和中国的贡献。AMS团队来自16个国家和地区的56个单位，500多科学家参加。其中我国北京航空航天大学、山东大学、中科院高能物理研究所、东南大学……等8单位，台湾的中央大学、中央研究院、中山科学研究院等4个单位，中国共14个单位参加了这项试验。中国科学家和技术人员，发挥了非常重要的作中国在AMS项目中的最大贡献，是制造了阿尔法磁谱仪的设备—巨大永磁铁。早在20世纪60年代，科学家就希望能将大型磁谱仪送入太空，但一直无法造出无漏磁、无二极磁矩的大型磁体，并且要符合美国宇航局严格的安全要求，这是AMS项目的最大挑战之一。一次偶然的机会，丁肇中在美国的一份文献中看到了中国科学院电工研究所的论文，发现中国能制造这种特殊的磁铁，他把这一方案带回美国，取得一致肯定后，与中国签署了合作协议。中科院电工所的设计非常巧妙，称为“魔环设计”与其他国家的方案相比，这个方案具有重量轻、无漏磁、无二磁矩及磁场均匀等优点。1995年至1997年中科院高能物理研究所，根据“魔环”构想，将其设计出来，中国运载火箭研究院，负责主要结构的制造，并作了多次模拟空间站环境试验，完全达到了美国宇航局的严格安全要求。此外，磁谱仪整体散热系统，轨迹控制器热控系统、地面模拟系统、电磁量能器结构和地面总装支撑设备的设计研制也分别由中国山东大学、中山大学、大东大学和中科院高能物理研究所独立或参与完成。中国科学家还参与实验数据的分析和物理研究。AMS实验概况。AMS在国际空间站运行至今，已观测超过300亿个宇宙射线E星体育，最高能量达数万亿电子伏特，每年记录约160亿个宇宙射线信号，并传送到地面，由AMS项目组分析。至2012年12月10日，分析了250亿个初级宇宙射线万个电子及正电子。实验结果已比较接近暗物质1.1.3在地球深层搜寻暗物质-中国志在这一领域跻身世界前列1.1.3.1新疆有色金属1942014年新疆有色金属为避免宇宙射线米深处，设置液态氙陷井，以捕捉暗物质粒子，这种粒子与氙相碰时会发光。地下氙实验室都利用岩石地层来屏蔽宇宙射线，并采用大型液态氙储罐。1.1.3.2世界上现有4处地下氙实验装置（1）美国南科他州霍姆斯特科矿；（2）意大利格朗萨索山；（3）中国锦屏山；（4）日本神冈天文台。1.1.3.3中国的地下氙实验项目（PandaX）实验装置安装在四川省锦屏山的大理岩山脉500mE星体育，是世界上最深的。装一个25kg储罐，并计划2016年将氙扩大到1t。表明中国的实验比其他国家实验做得更好。中国志在做出世界一流的暗物质的研究。经两年建设，2011年开始使用，因液态氙要从国外进口，因交货延迟，影响了实验的进行，实验结果有待今后报导。1.2神秘的暗能量-宇宙的主宰1.2.1让学者又恼又迷的宇宙最大谜题，它神秘莫测，但决定宇宙的未来美国天文学家埃德温哈勃（1889~1953）在1929年的论文中指出，遥远的星系以非常高的速度远离我们退行，而且退行的速度与地球到星系的距离大致成正比。一个合理的解释是宇宙在膨胀。完全超出人们的想象的观测结果是：宇宙的膨胀是“加速”的，这是天文学认真观测的事实，就是“暗能量”。两个研究小组的结果一致地表明“宇宙在加速膨胀”E星体育。超新星之外的其他观测也揭示了暗能量的存各种观测事实，都是间接的，都还不能成为暗能量存在的决定性证据，但是把所有这些证据综合起来，引入暗能量是最为“简单”的办法。1.2.2暗能量的性质1.2.2.1宇宙加速膨胀是受到了斥力的影响。就是暗能量具有反抗引力性质，也就是具有与相互吸引相对立的反向排斥（斥力）的性质。1.2.2.2密度不变无论宇宙怎么膨胀，奇妙的暗能量的密度也不会被摊薄。随着宇宙的膨胀，通常物质或暗物质会相应变稀薄。但暗能量的密度不会改变，所谓暗能量是空间（真空）本身所携有的能量，所以无论膨胀到多大，依然保持有同样的暗能量密度。随着宇宙膨胀，暗能量所占比例也不断增加。1.2.2.3空间本身携带的能量是有力的候选者所谓真空，一般是指其中什么也不存在的一部分空间。话虽如此，即使把所有的物质和暗物质都去除掉这空间也不会完全变成“空”的。按量子论的观点，能量不是一个定值E星体育。这意味着，即使把所有物质去掉后，空间中存在的能量也不1.2.3暗能量掌握着宇宙的命运暗能量是我们了解宇宙的关键因素，也是决定宇宙未来的重要因素。假如暗能量的密度会随时间发生变化的话，宇宙未来的形态也会因而发生巨大的变化。如果暗能量的密度变小时，宇宙可以从膨胀转入收缩，宇宙的最终命运，可能压缩到一个点（大挤压）。密度增加的情况下，宇宙会被撕裂，使宇宙中的物质，都以基本粒子的形态散落在空间。现在观测并没有发现暗能量密度变化的证据。改选世界-重大应用科技成果2.1我国科学家首次实现量子反常霍尔效应新华社4月10日电，清华大学和中国科学院物理研究所，以薛其坤院士为首的联合团队，在国际上首次从实验中观测到“量子反常霍尔效应”。这项实验被著名物理学家杨振宁教授誉为“诺贝尔奖级”科研成果。相关论文已于2013日在美国《科学》杂志在线研究的难度和我国的创新从1988年开始，各国不断有理论物理学家提出各种方案，但在实验中没有取得任何进展。 2006 年美国斯坦福大学，现清华大学教授张首 晟教授领导的理论组成功地预言了二级拓朴绝缘体 中的量子自旋霍尔效应，并在2008 年提出了在拓扑 绝缘体中引入磁性实现量子反常霍尔效应的可能 性。2010年中科院物理所万忠、戴希研究员等，与张 首晟合作，预言了Cr 或Fe 掺杂的Bi2Se3、Bi2Te3 Sb2Te3族三维拓扑绝缘体薄膜是实现量子霍尔效应 的最佳体系。 薛其坤院士的团队，在2009 年至2012 年10 195增刊2 经过4 年的研究生长测量了1000 多个样品，利用分 子束外延法，生长出高质量，Cr 掺杂（Bi、Sb）2Te3 拓扑 绝缘体磁性薄膜，并在极低温度输送测量装置上成 功观测到了量子反常霍尔效应。这项实验难度极 大，达到三方面严格的要求。课题组比喻为：这好比 要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度 和郭晶晶的灵巧度。课题组克服薄膜生长、磁性掺 杂、门电压控制、低温输送测量等多道难关，一步步 实现了对拓扑绝缘体的电子结构，长程铁磁序以及 能带拓拓结构的精密调控，为量子反常霍尔效应的 实现画了上了圆满的句号。 2.1.2 成果的重大意义 在成果发布会上，诺贝尔物理奖得主，清华大学 高等研究院名誉院长杨振宁教授，高度评价了这项 重大成果，称为诺贝尔奖级成果。 量子霍尔效应的研究已三次获得诺贝尔奖。 2.1.3 国外的评价 实验成果出来后，张首晟接到国外科学家的邮 件，写道：拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应是科学王 冠上的明珠。 《科学》杂志的一位审稿人说：这项工作，毫无疑 问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道 边缘态的存在，我认为这是凝聚在物理学一项非常 重要的成就。 另一位审稿人说：这篇论文结束了多年来对无 朗道能级的量子霍尔效应的探索，这是里程碑式的 文章。 2.1.4 成果的应用前景 我们使用计算机时会遇到计算机发热，能量损 耗，速度变慢等问题，这是因为常态下，芯片中的电 子运动，没有特定的轨道，相互碰撞而发生能量损 耗，量子霍尔效应可以对电子运动制定一个规则，让 它们在各自的跑道上前进。量子霍尔效应能解决电 子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算机、量子 信息存贮方面具有巨大的应用潜力。然而目前产生 量子霍尔效应的电子器件的体积比较大，成本较高， 不能安装到个人电脑和便携式计算机中。而量子反 常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，可 由材料的自发磁化来获得磁场。课题组找到的磁性 拓扑绝缘体薄膜，有可能带动新一代低能耗晶体管 和电子器件的发展，将来计算机的体积，大大缩小， 即使千亿次的超级计算机也有望做成现在的平板电 脑那么大。 2.2 诱导多功能干细胞（ips细胞）和再生医学 2.2.1 概述 2006 月，日本京都大学教授山中伸弥（简称山中）博士等人发布的“ips 细胞”研究成果，震动了整 个世界。这意味着人类可以用简单的方法培育出与 俗称全能细胞的“ES”细胞（胚胎干细胞）拥有相似能 力，又拥有几乎可以转变成所有细胞的能力。 2.2.2 ips 细胞的研究，两条腿走路，兼顾“基础”与应 2007年11 月，人体的ips 细胞产生了。对ips 胞的研究，已经成为了日本和美国的国家项目。2009年，日本文部科学省制定了“ips 细胞研究规划”， 而美国投入的予算资金大约是日本的10 倍（每年超 过25亿美元），发表的论文数量也在不断增加。 2.2.2.1 基础研究-研究ips 细胞的性质 主要关注“对什么样的细胞”“用什么样的方法” 产生的细胞接近ES 细胞的程度等问题。最初ips 胞是通过向皮肤细胞注入4种基因而产生的，现在人们已经有了多种选择。研究人员发现不同细胞培育 出来的ips 细胞所拥用的能力也有差异，在考虑应用 时，必须使ips 细胞的品质均一化，并确认其安全性。 目前已发现的干细胞超过了25 种，包括神经干 细胞（包括可以分化为脑和脊髓的各种神经细胞）， 造血干细胞（可以分化为血液中各种血细胞及免疫 细胞等）。 2.2.2.2 ips 细胞的大课题： “癌化”的风险 最初诱导ips 细胞是用无毒化的病毒，向皮肤或 纤维细胞核内的DNA中注入4 种短小的DNA片段， 这样就会产生以注入的DNA为设计图的蛋白质。这 些蛋白质与DNA结合，影响其他基因的活动，促进细 胞的初始化。继续培育2~5 个月，就可得到ips 胞。论文发表后，人们发现这种方法有癌化的风险，现在他们正在寻求更多的改良方法。 日本庆应义塾大学医学部福田惠一博士等人开 发的全新方法没有癌化的风险。 福田博士培育ips 细胞，用的不是皮肤细胞而是 血液中的T细胞，简单抽血就可以得到。只用0.1 升就可以了E星体育。现在培育ips细胞已经有多种多样的方 2.2.2.3在特定情况下，直接转换也可用于治疗 2011 月铃木博士的团队向白鼠的皮肤细胞中注入两种基因，将其成功地转换为肝细胞。 ips 细胞不仅开辟了通向新医学的大道，也振动 游清治：近年来国内外重大科技新进展 196 2014年 新疆有色金属 了细胞直接转换的基础科学研究。 2.2.3 ips 的应用研究——走向应用化的ips 细胞