2024“中国科学十大进展”权威解析

2024年度“中国科学十大进展”深度解析

人民网北京3月28日电（记者赵竹青）在2025中关村论坛年会开幕式上，国家自然科学基金委员会正式公布了2024年度“中国科学十大进展”。这些重大科学突破主要分布在数理天文信息、化学材料能源、地球环境和生命医学等多个前沿领域。这些研究成果具体取得了哪些重大突破？它们对相关学科发展又意味着什么？

1. 嫦娥六号月背样品揭示28亿年前火山活动奥秘

月球正面与背面火山岩分布存在显著差异，这是月球二分性的重要表现。月球二分性具体表现为正反两面在形貌构成、物质成分、月壳厚度及岩浆活动频率等方面的明显区别。嫦娥六号任务成功实现了人类首次月球背面采样返回，为研究月球背面火山活动提供了独一无二的科研样本。

中国科学院地质与地球物理研究所李秋立、中国科学院广州地球化学研究所徐义刚以及中国科学院国家天文台李春来等科学家公布了首批月球背面样品的分析结果。研究显示，嫦娥六号采集的月壤样品与月球正面的阿波罗任务和嫦娥五号任务样本存在显著差异：嫦娥六号月壤密度较低，颗粒呈现双峰分布特征，铝钙含量较高，包含玄武岩、角砾岩、粘结岩、玻璃质及浅色岩屑等多种成分。月壤组成与当地玄武岩成分差异明显，表明其来源具有复杂性；当地玄武岩属于低钛低铝类型，Sr-Nd-Pb同位素分析表明其源自极度亏损的月幔源区，形成于约28亿年前的火山喷发活动。

研究还发现了一期42亿年前的玄武质火山活动产物，证明月球背面南极-艾特肯盆地存在长期火山活动历史。28亿年玄武岩的同位素年龄填补了撞击坑统计定年曲线在20亿至32亿年间的数据空缺。

嫦娥六号样品揭示了月球背面物质的独有特性，填补了人类对月球背面研究的空白，为探索月球背面火山活动、撞击历史和正反面地质差异提供了直接证据，开启了月球科学研究的新纪元。

2. 大规模光计算芯片实现智能推理与训练突破

随着以大模型为代表的人工智能技术快速发展，对计算能力的需求呈现超越摩尔定律的增长态势，发展新型智能计算模式迫在眉睫。光子具有传播速度快、信息维度多、能耗低等物理优势。智能光计算采用光子替代电子作为计算载体，通过控制光传播实现计算过程，有望带来计算范式的革命性变革，成为全球人工智能发展的前沿方向。

针对大规模可重构智能光计算的技术难题，清华大学方璐、戴琼海等研究团队突破传统电子深度计算模式，首创分布式广度光计算架构，建立干涉-衍射联合传播模型，研制出全球首款大规模通用智能光计算芯片“太极”，实现了每焦耳160万亿次运算的系统级能效，首次使光计算能够完成自然场景千类物体识别、跨模态内容生成等通用人工智能任务。

训练与推理是AI大模型核心能力的两大支柱。面对大规模神经网络训练难题，该团队构建了光子传播对称性模型，摒弃电子训练的反向传播方式，首创全前向智能光计算训练架构，摆脱了对GPU离线训练的依赖，支持智能系统的高效精准光学训练。

太极系列芯片实现了大规模神经网络的高效能推理与训练，相比国际先进GPU（基于7纳米光刻工艺），系统级能效提升两个数量级，且仅需百纳米级制造工艺。

这一突破有望解决电子芯片面临的瓶颈问题，以全新计算模式突破人工智能算力困境，以更低资源消耗和更小边际成本，为人工智能大模型等高速度高能效计算开辟新途径。

3. 揭示单胺类神经递质转运机制及精神疾病药物调控原理

大脑神经元间的信息传递构成认知与情感功能的基础。神经递质“释放-回收-再填充”的循环过程是神经信号传递的关键环节。这一过程的紊乱与抑郁症、注意缺陷多动障碍等多种精神疾病密切相关。神经递质转运体是负责神经递质跨膜运输的“信使”，主要介导神经递质循环过程，确保神经信号的精确传递。因此，调控神经递质转运体活性成为治疗精神疾病的核心策略。然而，现有靶向药物存在副作用大和易滥用等问题；人们对神经递质转运体工作机制的理解尚不深入，缺乏精准设计精神疾病药物的理论基础。

中国科学院生物物理研究所赵岩团队联合中国科学院物理研究所姜道华等，利用冷冻电镜技术揭示了多种关键神经递质转运体的结构奥秘，系统阐明了它们识别并转运多巴胺、去甲肾上腺素、甘氨酸和囊泡单胺的过程。此外，该研究揭示了神经递质转运体与多种精神疾病药物的精确作用机制，展示了不同神经递质转运体多样化、特异性的药物结合位点，并发现了新型低成瘾性药物结合区域，为设计副作用小、成瘾性低的精神疾病治疗药物提供了结构基础。

这一进展不仅深化了对神经递质介导大脑信息传递的理解，也为开发更高效、更安全的精神疾病药物奠定了基础，具有重要的临床转化价值。

4. 实现原子级特征尺度与可重构光频相控阵的纳米激光器

晶体管依赖电子，激光器依赖光子。电子和光子作为两种基本粒子，均可用于承载能量与信息。电力的广泛应用推动了工业革命和现代化进程，极大提升了社会生产力；而作为信息载体的电子芯片，则催生了信息技术革命，引领人类进入数字化时代。

激光技术沿着两个方向持续发展：一方面向超高功率迈进，如用于可控核聚变的中国神光激光装置。正如钱学森形象描述，这一技术相当于在地球上创造“小太阳”，未来有望提供稳定持久的清洁能源。另一方面，激光器微型化趋势日益加速。如同晶体管的微缩推动电子芯片发展，微型激光器的进步极大促进了光子技术创新。

在此背景下，北京大学马仁敏等提出奇点色散方程，建立了介电体系突破衍射极限的理论框架，成功研制出模式体积最小的激光器——奇点介电纳米激光器，首次将激光器特征尺度推进至原子级别。此外，他们还基于纳米激光器构建可重构光频相控阵，使纳米激光器阵列能够“同步工作”，生成可重构的任意相干激射图案。

相比常规激光器，纳米激光器具有体积小、能耗低等特点，在信息技术、传感探测等领域具有广阔应用前景。

5. 发现自旋超固态巨磁卡效应与极低温制冷新机制

超固态是一种在极低温环境下出现的新奇量子物态，其独特之处在于同时具备固体与超流体的双重特性，通过量子叠加效应共存于同一系统中。经过多年研究，除冷原子气模拟实验取得进展外，在固体物质中尚未找到超固态存在的确凿实验证据。因此，在《科学》杂志创刊125周年之际公布的全球最前沿125个科学问题中，“固体中是否可能存在超流现象？如何实现？”被列为其中之一。

中国科学院理论物理研究所/中国科学院大学苏刚、李伟，中国科学院物理研究所孙培杰和北京航空航天大学金文涛等在三角晶格阻挫量子磁体磷酸钠钡钴中取得重大突破。研究发现该阻挫量子磁体实现了超固态的磁性对应，即自旋超固态。中子谱学提供了其固态序和超流序共存的证据，与理论预测高度吻合，这是首次在固体材料中找到自旋超固态存在的可靠实验证据。

团队还发现该自旋超固态的巨磁卡效应，利用其强涨落的量子特性，在磁场调控下成功实现了94mK（零下273.056摄氏度）的极低温，开辟了无氦-3极低温固体制冷新途径。目前，研发的固态制冷测量器件已实现无氦-3条件下的极低温电导测量，最低测量温度达到25mK。

量子材料固态制冷技术的持续发展，有望为量子科技、空间探测等国家重大需求提供重要技术支撑。

6. 异体CAR-T细胞疗法突破自身免疫病治疗瓶颈

长期以来，彻底治愈红斑狼疮、硬皮病、多发性硬化症等自身免疫性疾病，是全球共同面临的医学难题。现有免疫抑制药物虽可一定程度缓解病情，但可能带来严重副作用。自体CAR-T疗法在自身免疫病治疗中已显示初步疗效，但与自体CAR-T疗法不同，同种异体CAR-T细胞具有显著优势，因为它们具备“异体通用性”，即可使用标准化异体细胞产品为不同患者提供治疗，无需个性化制备，简化了治疗流程并提高了可及性。

海军军医大学第二附属医院（上海长征医院）徐沪济、华东师范大学杜冰、浙江大学医学院附属第二医院吴华香和华东师范大学刘明耀等创新性地对健康供者细胞进行基因编辑后研制出异体通用型CAR-T细胞，在保障安全的前提下，成功治疗了2例严重难治性硬皮病和1例炎性肌病患者，取得显著疗效，对广泛推广CAR-T细胞疗法和降低治疗费用起到极大推动作用。

CAR-T细胞疗法有望成为治疗多种免疫系统疾病的常规手段，为细胞治疗产品研发提供新思路。

7. 揭示额外X染色体多维度影响男性生殖细胞发育机制

人类性染色体存在差异：男性为XY，女性为XX。X染色体包含约1000个基因，而Y染色体仅有约50个基因。为维持X染色体基因表达平衡，女性细胞会随机失活一条X染色体。若这种平衡被打破，可能引发疾病。例如，克氏综合征患者性染色体为XXY，是导致男性不育最常见的遗传病因之一，其生殖细胞在青春期前就大量丢失。尽管其病因在1959年就已确定，但生殖细胞丢失之前发生了什么，何时出现发育异常，以及X染色体如何发挥作用，此前并不清楚。

北京大学乔杰、袁鹏、闫丽盈、魏瑗等研究发现，克氏综合征患者的生殖细胞早在胎儿期就已出现严重发育阻滞，并从多维度揭示其中机制：在克氏综合征患者的生殖细胞中，额外X染色体未失活，导致X染色体基因过度表达，从而引发与维持细胞幼稚状态相关的基因（如WNT和TGF-β通路、多能性、有丝分裂基因）表达上调，而与生殖细胞分化相关的基因（如减数分裂、piRNA代谢、癌睾基因）表达下调，最终导致发育阻滞。该团队还发现抑制TGF-β通路可以促进克氏综合征胎儿生殖细胞分化，为克氏综合征不育症的早期治疗提供重要理论基础。

该研究不仅为克氏综合征患者不育的发病机制提供了重要见解，也为早期治疗提供了重要的理论依据。

8. 凝聚态物质中引力子模的实验突破

引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种神奇现象，由时空剧烈扰动产生，其基本量子特征表现为自旋为2的引力子。近年来，物理学家将广义相对论中的几何描述方法引入凝聚态物理的某些体系，特别是在分数量子霍尔系统中。如果扰动这些系统的量子空间测度，可能会涌现出类似“引力波”的现象。这些现象的量子特征与引力子相似，被称为引力子模，是一种自旋为2的低能集体激发模式。

南京大学杜灵杰等搭建了极低温强磁场共振非弹性偏振光散射平台。实验使用砷化镓半导体量子阱样品，其中的二维电子气在强磁场下形成分数量子霍尔液体。实验测量是一个双光子拉曼散射过程，入射光子被量子液体吸收，然后量子液体再发射出光子。由于光子自旋为1，不同自旋的入射及出射光子可以产生自旋为0及+2和-2的元激发，自旋只为+2或-2的激发就是引力子模。最终在分数量子霍尔液体中首次成功观察到引力子模，并发现其具有手性。这是首次探测到具有引力子特征的准粒子。该实验结果从二维空间角度证实了度规扰动的量子是自旋2的低能激发，进而让凝聚态材料成为探索宇宙尺度物理的“人造实验室”，提供了探索解决量子引力问题的新思路。

这一发现证实了分数量子霍尔效应全新的几何描述，开辟了关联物态几何实验研究的新方向，有望对探测半导体电子系统的微观结构及实现拓扑量子计算起到推动作用。

9. 高能量转化效率锕系辐射光伏微核电池的创新研制

大量核废料中含有半衰期长达数千年到百万年的锕系核素，长期被视为环境负担。苏州大学王殳凹、王亚星和西北核技术研究所/湘潭大学欧阳晓平等提出一种新型锕系辐射光伏核电池的技术方案，通过创新设计将核废料中锕系核素衰变释放的能量转化为持久电能，实现变废为宝。

传统辐射光伏核电池在利用锕系核素衰变能时，会受到α粒子自吸收效应的限制，导致能量转换效率较低，难以充分发挥锕系核素蕴含的巨大能量。为突破这一瓶颈，该团队通过引入“聚结型能量转换器”概念，在分子级别上将放射性核素与能量转换单元紧密耦合，从根本上克服了自吸收效应，大幅提升了衰变能转换效率。实验中，研究团队将核废料中关键的锕系核素243Am均匀掺入稀土发光配位聚合物晶格中，形成紧密耦合的晶体结构。结果表明，在1%的243Am掺杂条件下，该材料在内辐照下可产生肉眼可见的自发光，其衰变能到光能转换效率可达3.43%。进一步结合钙钛矿光伏电池后，总能量转换效率突破0.889%，单位活度功率可达139μW·Ci-1，并在连续运行200小时的测试中展现出优异的性能稳定性。

这一锕系辐射光伏核电池设计思路，在锕系元素化学与能量转换器件之间架起桥梁，兼具基础研究深度和潜在应用前景，为高效微型核电池开发提供了理论基础，也为放射性废物的资源化利用提供了新思路。

10. 发现超大质量黑洞影响宿主星系形成演化关键证据

星系是宇宙结构的基本组成单元。星系之所以发光，主要是因为其内部含有数千亿颗恒星。按照星系恒星形成能力的强弱，天文学家一般把星系分为两类：较为年轻、能够持续产生新恒星的“恒星形成星系”（如银河系），以及较年老、几乎没有新恒星形成的“宁静星系”（比如M87星系）。研究恒星形成星系如何转变为宁静星系，即星系如何由“生”到“死”的问题，是星系宇宙学的核心任务之一。

围绕这一核心任务，约半个世纪前科学家就提出星系的中心黑洞在成长过程中释放的巨大能量对星系的形成演化有重要影响。经过近半个世纪的发展，这一理论已成为当前主流星系形成演化模型的共识。然而，长期以来黑洞如何影响星系的形成演化一直缺乏明确的观测证据，这也成为当前亟待解决的重要科学问题。

针对这一重要科学问题，南京大学王涛等创新性地开始探索中心黑洞质量与星系冷气体含量之间的关系。该研究首次揭示中心黑洞的质量是调制星系中冷气体含量的最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系其冷气体含量越低，而冷气体又是星系中恒星形成的原料，因此这一发现对中心黑洞影响星系形成演化提供了重要的观测证据。很大程度上中心黑洞影响宿主星系的恒星形成是通过从源头上限制恒星形成的原料——冷气体的含量来实现的。

该结果阐明了宁静星系普遍具有较大质量中心黑洞的原因，确立了中心黑洞在调控星系生命周期中的核心地位，向最终解开星系生死转变的谜团迈出坚实一步。