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新年愿望:听谢晓亮等14位科学家怎么说

采访 | 邸利会 陈晓雪 夏志坚 汤佩兰 叶水送 金庄维 责编 | 陈晓雪
 
2019年马上就要过去,2020年即将到来。这意味着,21世纪,我们即将迈入第三个十年。对于个人来说,我们会回顾过去一年收获了什么,失去了什么。对于科学来说,了解我们已经做了什么,接下还要做什么也很重要。
 
最近,《知识分子》邀请到14位华人科学家,询问了他们三个问题:推荐各自研究领域的两项重要工作,预测2020年值得期待的进展,分享自己的新年愿望。
 
在这些回复中,既有人工智能、基因编辑等热词,也有关注到阿尔茨海默症、亨廷顿病、特发性肺纤维化等研究的进展,既有对于某个研究的详解,也有大图景的展望。还有,他们的新年愿望。
 
愿每位读者朋友,在新的一年不畏将来,不念过往。
 
 
包云岗,中国科学院计算技术研究所研究员
 
过去一年,以 RISC-V 为代表的开源芯片设计、以 Chisel 为代表的高级抽象硬件描述语言,推动了处理器芯片敏捷设计方法与开源芯片生态的快速发展,让人们对数量级降低芯片设计门槛充满期待——未来有可能将成本从几千万甚至上亿元降低至几百万甚至几十万元, 将开发周期从几年降低至几个月甚至几周。
 
未来一年,将会涌现出越来越多的基于开源芯片的各类设计,各个领域会开始考虑如何与开源芯片结合。一场 “开源芯片+” 热潮将会兴起。
 
陈云霁,中国科学院计算技术研究所研究员
 
在类脑芯片领域,清华大学施路平教授团队完成的天机芯片取得了重要突破,把人工通用智能的两个主要研究方向,即基于计算机科学和基于神经科学这两种方法,集成到一个平台,可以同时支持机器学习算法和现有类脑计算算法。该工作登上了 Nature 首页,有很大的国际影响力。未来智能芯片还将形成一系列技术突破,进一步服务好千千万万广大人民群众。
 
陈怡然,杜克大学教授
 
我们领域最热门的话题是AI软硬件系统的端到端设计自动化,也有人称之为RTML(Real-Time Machine Learning),或实时机器学习。只要给出学习所需要的数据,系统就会自动学习出最适合的深度学习模型,完成模型训练,并设计出能最有效执行这一模型的计算芯片和硬件系统。在个过程中完全不需要人工干预,且可以自主完成软硬件的协同设计。
 
凭借已有的技术积累,我们已经在整个工具链条的每个点上都获得了成功,现在科研人员正把整个链条连接起来。这项工作一旦完成,将会使得人工智能技术的落地成本实现指数级的降低。
 
颜水成,依图科技首席技术官
 
过去一年值得关注或者让人感到兴奋的是无监督学习、半监督学习或者弱监督学习所取得的进展,2020年的话,我觉得会看到AI芯片在具体场景应用上取得新的推动力。
 
戴 希,香港科技大学物理学系讲座教授
 
即将过去的2019年, 对凝聚态物理研究来说,是充满了惊喜和憧憬的一年。在这一年里,涌现出了许多令人印象深刻的工作,如利用对称指标和自动计算在现存数据库中搜索非磁性拓扑材料、在铁基超导磁通中寻找马约拉纳零能模和磁性外尔半金属材料的发现等等。在这里,我挑选了两项个人认为是本年度最重要的工作推荐给大家。
 
1)在转角石墨烯体系中发现量子反常霍尔效应。
 
【Science 365, 605-608 (2019);arXiv:1907.00261】
 
这项工作是 Stanford大学的 David Goldhaber-Gordon 小组和 UCSB 的Andrea Young 小组完成的,其中前者首先在转角石墨烯中发现巨大的轨道磁性导致的反常霍尔效应,而后者在前者工作的基础上,真正观测到了反常霍尔系数的量子化平台。这个工作可以说是一个巨大的惊喜,之前没有人预料到,会在由单一碳原子有序排列而成的体系中发现磁性,更不用说量子反常霍尔效应了。事实上,这一体系中的磁性有别于此前发现的任何其他磁性材料,是一种纯轨道磁性。从这个意义上讲,在3/4填充的转角石墨烯体系是人类找到的第一种轨道铁磁体,对凝聚态物理研究来说,这完全是开创性的。轨道铁磁性有许多重要特性,其中最容易观测的,就是巨大的反常霍尔效应。跟任何已知磁性金属/半导体中的反常霍尔效应不同,轨道铁磁体中的反常霍尔效应完全不需要任何自旋轨道耦合作用,这是一种全新的导致反常霍尔效应的机制。当然,如果轨道铁磁发生之后,体系形成绝缘体,那么反常霍尔效应就会是量子化的,3/4填充的转角石墨烯体系正是如此,它的霍尔电导是量子化的e^2/h,跟之前的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜一样,是又一个量子反常霍尔效应体系,但形成的物理机制完全不同。很大程度上受这两个工作影响,目前对这类摩尔超晶格中轨道磁性和反常霍尔效应的研究,正成为凝聚态物理研究的另一个高速发展的新领域。
 
2)单层铜氧化物高温超导体的制备成功和物性研究。
 
【[https://www.nature.com/articles/s41586-019-1718-x]】
 
这一工作是我国复旦大学的张远波小组和中国科技大学的陈仙辉小组一起合作完成的。如果说上一个工作是在一个崭新的研究领域,转角石墨烯体系中涌现出来的,那么这个工作则出现在铜基高温超导领域,一个已被深耕30余年的 “老” 领域,彼此可谓相映成趣。在铜基高温超导体的研究中,有两个非常重要的问题。其一,在这类层状化合物中,超导电性是单层就具有的特性还是由层间耦合造成的?其二,如何得到载流子浓度连续可调的材料体系以获得真正可靠的超导相图?这一工作同时解决了上述两个问题,可谓一石二鸟。在实验中,他们采用机械剥离的方法,在经过多年持续不断的努力之后,终于成功获得了一种单层的铜基高温超导材料,单层 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 体系。在这种单层材料中,他们得到了跟高质量体材料单晶几乎完全一致的超导转变曲线,成功证明了在这一体系中,超导电性是单层特性,不需要层间耦合即可超导。同时,利用二维材料门电极调控载流子浓度的方法,他们进一步获得了近乎完美的超导相图。这一工作可以称得上是高温超导领域内近年来最重要的实验工作,为最终攻克高温超导机理,凝聚态物理领域内最硬的骨头之一,迈出了坚实的一步。
 
对新的一年的展望:
 
之前的20年,可以称得上是国际合作的黄金时期,许多重要的工作都是在中美欧日等国科学家的密切合作之下完成的。科技合作带来的不仅仅是科学发展的大大加速,还有各国科学界乃至政府之间的互信。在过去的一年里,发生了许多事情,使得这种密切的国际合作遇到了挑战,在这里我衷心地希望,在建立了新的规范之后,科学研究的全球化能进一步发展下去,不同背景、肤色和信仰的科学家们还能跟以前一样共同努力。
 
阮曼奇,中国科学院高能物理研究所
 
1. 2019年推荐工作
 
Katrin 实验对中微子质量上限的测量。Phys. Rev. Lett. 123, 221802
 
中微子质量是首个实验证实的、超出标准模型的新物理现象。位于德国Karlsruhe的KATRIN通过精密的测量,将中微子的质量上限限制到了1.1eV,比原先的质量上限压低了2倍。
 
LHCb实验发现更多的5夸克态、并揭示了5夸克态的分子态本质。Phys. Rev. Lett. 122, 222001
 
在2019年6月的文章中,LHCb实验组报告了质量为4312MeV的一个新的5夸克态;同时,通过积累的数据量,LHCb实验发现此前发现的一个5夸克态(质量为4450MeV)实际上包含了两个质量接近的5夸克态,其质量分别是4440 MeV和4457MeV;而这些5夸克态的衰变末态行为则揭示了它们更接近于一个重子(由3个夸克组成)和一个介子(由一对正反夸克组成)形成的分子态。
 
这些新的观测结果揭示了这一能区丰富的粒子谱和相互作用。
 
2. 2020年值得关注的工作和进展:
 
1)高能量前沿:
 
以大型强子对撞机为代表的高能量前沿,在2020年依然是重点关注的对象。虽然人类目前尚未从对撞机实验中发现超出标准模型的新物理现象,但随着数据量的增加、和分析结果的积累,人们依然观测到了大量新现象、发现了若干新粒子。我们期待2020年高能量前沿能给人们带来新的重要知识。
 
2)多信使天文学:
 
随着中微子、引力波等实验设备的成功建设,为人类在传统的射电、光学、X-ray,gamma-ray 等天文观测基础上,增加了全新的、多方位的观测手段。这些新的实验设备包括 LIGO,冰立方实验等等;这些新观测手段也由此推开了多信使天文学的大门。
 
通过技术的进步和升级,相关观测的精度也在不断改善,人们可以看得更准、看得更远。期待2020年多信使天文学能观测到全新的现象。
 
3)g-2实验实验结果:
 
2020年,美国费米实验室预计将公布期待已久的g-2实验结果,我们希望能通过磁场中muon介子行为的精确测量、揭示此前未知的新粒子和新规律。
 
4)未来对撞机发展:
 
2020年将是对未来对撞机发展非常重要的一年。国际高能物理学界将进通过欧洲战略讨论等平台就未来对撞机发展战略进行进一步讨论。
 
日本政府预计将对是否建设国际直线对撞机进行表态。
 
欧洲核子中心计划积极推动未来环形对撞机项目。
 
我国高能物理学界,也将积极推动环形正负电子对撞机项目。
 
未来对撞机的发展将决定未来几十年内粒子物理发展的走势,值得重点关注。
 
3. 新的一年心愿:
 
期待标准模型的突破,以及充足的经费。
 
蔡天新,浙江大学数学科学学院教授
 
这三个问题本应请权威的同行回答,比如今年新当选中国数学会理事长的田刚院士。我本人并没看到关于2019年重大数学成果的宣布或评选报道,原先我期待ABC猜想的解决。自从费马大定理被怀尔斯证明后,它留下的诱人空缺迅速被ABC猜想填补(黎曼猜想太遥远)。2012年,京都大学教授望月新一宣布证明ABC猜想,假如这是真的,他的成就将超越21世纪19位同胞诺奖得主的任何一位。可惜他的证明还没有得到同行认可,后来他声明会在20年代到来之前给予证明令人信服的解释。现在只剩两天时间了,我不认为他可以做到。
 
数学是很难甚至无法预测的,更不要说某一年了,因为它属于个人行为。1900年希尔伯特提出23个问题预测了20世纪的数学,他做得比较成功。到20世纪末,已无人能预测了,于是国际数学联盟请来30位顶尖数学家谈论20世纪本领域最大的进展(数论和数学物理方向各5位),顺便做一下展望。
 
个人当然希望看到ABC猜想、哥猜、孪猜甚或黎曼猜想被证明,它们都与素数密切相关,任何一个的证明如果能在有生之年看到,我们都会感到欣慰。
 
 
郑厚峰,西湖大学生命科学学院特聘研究员
 
1. 2019年推荐工作
 
我推荐多基因风险评分(polygenic risk scores, PRS)的临床辅助应用。
 
2019年3月份,Martin 等人在 Nature Genetics 上发表了一篇关于多基因风险评分(polygenic risk scores, PRS)辅助临床应用的研究(Clinical use of current polygenic risk scores may exacerbate health disparities),文中强调了遗传学研究中不同人群/种族遗传数据的不平衡,以及由此引起的潜在临床应用偏倚。虽然众多研究者对开发用于疾病预测的多基因风险评分的方法的发展充满热情,但是目前参与大型遗传学研究并从中受益的大多数人都是欧洲血统,欧洲人后裔约占全球人口的16%,但却占所有全基因组关联分析(GWAS)人群的近80%。Nature Genetics 发表 editorial,呼吁产生更多非欧洲人群的遗传数据(Genetic for all https://www.nature.com/articles/s41588-019-0394-y)。
 
2. 2020年,值得关注和期待的工作
 
新加坡和印度在2019年分别研究了亚洲人群(中国,印度,马来西亚)的遗传结构,相信2020年将会有更多亚洲人群体遗传研究出现,使得亚洲人可以像欧洲人群一样,得益于多基因风险评分的临床应用。
 
3. 新的一年,你的愿望是什么?
 
希望西湖大学持续产生一系列原创成果。
 
鲁伯埙,复旦大学生命科学学院研究员
 
1. 推荐2019年你所在领域的两个进展,以及,你为何会推荐这两个进展?
 
我的主要研究领域是神经退行性疾病,集中在亨廷顿病研究。
 
推荐的两个进展,一是 Sarah Tabrizi 领导的靶向HTT基因mRNA的反义寡聚核苷酸(ASO)的临床研究。推荐这个研究是因为ASO在小鼠模型中观测到的分子水平的药效检测几乎完美地重现在病人身上。二是我、费义艳与丁澦合作团队的自噬小体绑定化合物(ATTEC)的研究。我们提出并验证了一个特异性降解致病蛋白的新策略,也许有比较广泛的应用潜力。
 
2. 2020年,你认为哪些工作值得关注和期待?
 
我认为Biogen计划明年提交的针对阿尔茨海默病的新药值得期待。如果真的有效,这会是第一个针对Aβ的有效药物。围绕Aβ假说的各种争议终于可以在人群中大规模检验。
 
3. 新的一年,你的愿望是什么?
 
新的一年,我的愿望是弄清楚自噬小体绑定化合物(ATTEC)与蛋白结合的结构细节,以及描述这种通过三元复合物降解目标蛋白的规律的数学模型。此外,我希望能将ATTEC用于更多致病物质的降解。
 
汤 楠,北京生命科学研究所高级研究员
 
1. 请推荐你所在领域2019年的两个进展,并给出理由:
 
1)单细胞测序技术在肺领域研究中的应用
 
理由:肺脏是内脏器官, 细胞成分复杂,生物样本少,所以对慢性肺疾病中的细胞异质性和基因表达谱知之甚少。 最新的单细胞测序技术在肺脏研究中的应用, 有助于用有限的生物标本资源来探索肺脏各种细胞的病理生理学意义,并发现其调控因素及重要调控靶点。
 
2)发现了特发性肺纤维化(IPF)发病的全新动物模型及发生机制。
 
理由:特发性肺纤维化现在发病人数逐年攀升,但无有效的药物。其研究面临很多难点,其中之一便是该疾病缺乏合适的动物模型, 导致动物基础研究说服力差,研究难以深入。我们首次建立了高度模拟IPF发病特征的小鼠疾病模型,从细胞行为和分子机理上提供了新思路,这将为今后的IPF基础和临床前研究提供极大便利。
 
2. 2020年,你认为哪些工作值得关注和期待?
 
肺脏各种在体干细胞在慢性肺病中修复再生机制。因为只有知道在不同的慢性肺病中,参与的干细胞种类及其作用机制,才能为未来的细胞和靶向治疗指出正确的方向。
 
3. 新的一年,你的愿望是什么?
 
进一步认识肺脏,解析肺脏,享受科研的乐趣,并对罹患肺脏难治性疾病的患者送去希望。
 
徐福洁,浙江大学医学院教授
 
1. 2019年推荐的工作进展
 
在传染病领域2019年我没觉得有什么突出进展。
 
2. 2020年,哪些工作值得关注和期待?
 
2020年中国要宣布消除本土疟疾传播(elimination), 因为中国在青蒿素方面的成就和屠呦呦的诺奖,这应该算是件大事。
 
3. 新的一年,你的愿望是什么
 
在传染病领域愿能守住已有的成绩,不出现疫苗可预防疾病的反弹,在科研方面,我的愿望是少些文章、成果、排名之类的精明算计,多些纯粹的探索,解决临床问题,服务人类健康。
 
黄学杰,中国科学院物理研究所研究员
 
1. 2019年电池领域的主要进展:
 
1)马里兰大学王春生等创造性地引入卤素转化-嵌入正极化学,发展了一种高比性能的水系锂离子电池。
 
水系锂离子电池具有成本低,无污染,安全和高功率性能等特点。不过,传统的水系电池受到水的分解电位的限制,其电压通常不高于2 V。通过采用 “water-in-salt” 的策略,水系锂离子电池的电化学窗口可以拓宽到4 V。传统的过渡金属氧化物正极材料容量有限,通常小于200 mAh g-1。作者设计了一种基于卤素在石墨中转换-插入机理的复合电极,该电极的比容量高达243 mAh g-1,且平均电位高达4.2 V。作者得到了一个4 V的水系锂离子全电池,该电池能量密度高达460 Wh kg-1,库伦效率接近100%。这种基于阴离子转换-插入机理的水系电池拥有着转化反应高能量密度,插入机理高的可逆性以及水系电池的高安全性的特点。
 
C. Yang, J. Chen, X. Ji, T.P. Pollard, X. Lu, C.J. Sun, S. Hou, Q. Liu, C. Liu, T. Qing, Y. Wang, O. Borodin, Y. Ren, K. Xu, C. Wang, Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion-intercalation chemistry in graphite, Nature, 569 (2019) 245-250
 
C. Yang, J. Chen, X. Ji, T.P. Pollard, X. Lu, C.J. Sun, S. Hou, Q. Liu, C. Liu, T. Qing, Y. Wang, O. Borodin, Y. Ren, K. Xu, C. Wang, Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion-intercalation chemistry in graphite, Nature, 569 (2019) 245-250
 
2)中国锂离子动力电池企业出货量占全球总量的50%以上,中国多家企业成为德国奔驰、BMW、大众,法国雷诺、日本日产等国际主流车企的动力电池供应商。
 
2. 2020本行业进展展望:
 
1)固态电池研究取得显著进步;
 
2) 高性能低成本正极材料产业化技术取得突破。
 
3. 新一年的愿望:
 
宁静无扰
 
孙亚飞,清华大学化学系
 
2019年新材料方面的进展,最值得关注的有:
 
1、固态锂电池的工业化发展,能量密度相比于现有的锂电池体系可以提升一倍,一旦投产,将会颠覆现有的电池技术;推荐理由:2019年诺贝尔化学奖颁发给了锂电池,是对现有锂电池技术的肯定,也让锂电池接下来的变化更值得期待;
 
2、水凝胶材料的多项重大突破,例如3D打印的水凝胶肺气球,具有呼吸能力;推荐理由:水凝胶一直受到医学领域的关注,它不仅可以作为药物缓释剂等材料,更是值得期待的植入性材料,人造器官正在逐渐变成现实。
 
2020年,值得期待的新材料领域进展还很多,其中二氧化碳的固化很受期待。二氧化碳作为温室气体,控制它在大气中的浓度已成为共识,除了减少化石能源燃烧外,另一个方案是用化学反应将大气中的二氧化碳固定化,近几年已出现多个技术,2020年是否能够形成应用基础,很值得注意。
 
我的个人愿望,是OLED材料能够在中低端机型中普及。



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