“十三五”科技展上的北大突破

彭练矛、张志勇

碳基芯片技术

未来芯片技术部分成果

全球领先的碳基无掺杂CMOS技术、5纳米栅长的碳基晶体管制备、碳纳米CMOS晶体管晶圆级制备技术、纯度大于99.9999%的8英寸半导体碳纳米管晶圆材料、碳基CMOS逻辑电路芯片、柔性碳基芯片……信息科学技术学院碳基团队在彭练矛院士和张志勇教授的带领下，坚持研发20年，攻克系列难题，接连在高纯度材料研发和超低功耗狄拉克源碳基晶体管器件、碳管发光器件等研发方面取得突破，基本解决了ITRS给出的碳管材料和器件带来的挑战，为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。

魏文胜

新型基因编辑技术

LEAPER技术原理

近年来，以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术在生物医学等诸多领域产生了深远影响，但该技术依赖于外源编辑酶或效应蛋白的表达，从而引发体内递送困难、脱靶效应显著、激发免疫反应等问题，使相关技术在临床治疗应用中面临巨大挑战。

生命科学学院及生物医学前沿创新中心魏文胜团队建立了具有我国自主知识产权的名为LEAPER的新型基因编辑技术，仅需转入一条特殊设计的RNA，即可对靶向基因转录本上特定腺苷进行高效精准的编辑。

此外，研究人员还利用LEAPER成功修复了来源于Hurler综合征病人的缺陷细胞。该方法在疾病治疗中显示出可观的潜能，并且具有高精度、易于递送、长时效、高安全性等多种优点。同时，LEAPER还可能衍生出多种延展型技术，为生物医学研究提供新型工具。

程和平

微型化双光子显微镜

未来技术学院程和平院士团队研制了新一代微型化双光子显微镜，在国际上首次实现了自由行为小鼠大脑神经元和神经突触活动的清晰稳定成像，不仅可以“看见”大脑的思维活动，而且在脑疾病发生的神经机制研究及新药研发中发挥重要作用，具有巨大的科研和商业价值。该成果入选2017年度中国科学十大进展，获评Nature Methods 2018年度方法。

团队新近开发了集成飞秒光纤激光器的医用便携式双光子显微成像系统，其具备操作柔性便捷、成像速度快、分辨率高等优势，可直接进行人体皮肤及其他组织内细胞无创、原位、实时的观察，并获取人体中NADH、FAD、胶原蛋白、弹性纤维等多种物质的定量指标，实现人体代谢状态监测及病变组织病理级水平的量化分析，为各类疾病的早期诊断、后期疗效评估等提供可靠支撑。

吴晓磊

多亚基Na⁺/H⁺逆向转运蛋白的结构解析

微生物广泛地分布在地球的各种环境中，其中不乏极端盐碱等严苛环境。长期以来，微生物的极端环境适应机制是生命科学研究的重要公开问题，对生命起源和进化研究具有重要意义。为了适应这些极端环境，微生物进化了多种耐受盐碱胁迫以适应高盐碱环境生长繁殖的策略。其中，一个重要机制是微生物利用其细胞膜上的钠泵系统及ATP合酶等保持细胞内Na⁺和H⁺浓度的相对稳定，从而维持细胞正常的生命活动。

工学院能源与资源工程系吴晓磊课题组系统研究了极端环境微生物适应机制。课题组利用单颗粒冷冻电镜技术，对极端盐碱耐受菌Dietzia sp. DQ12-45-1b的多亚基Na⁺/H⁺反向转运系统Mrp复合物结构进行了解析，首次提出Mrp复合物的结构模型，阐明了Mrp反向转运Na⁺/H⁺机制。该发现为以呼吸链复合体I为代表的、由氧化还原反应驱动的初级主动转运蛋白中的阳离子转运机制提供了新的认识。

江颖、王恩哥

揭示水的原子结构和新奇效应

扫描探针显微镜探头（实物）和互动视频及现场

物理学院量子材料科学中心、轻元素先进材料研究中心江颖教授和王恩哥院士领衔的联合研究团队发挥学科交叉优势，近年来开发了一种基于高阶静电力的新型扫描探针技术，刷新了扫描探针显微镜空间分辨率的世界纪录，实现了氢原子的直接成像和定位，首次将水科学的研究推向了原子尺度；结合全量子化计算模拟，揭示了核量子效应、动力学幻数效应等新奇效应，改变了人们对水和轻元素体系的传统认知，在物理、化学、材料、生物等多个学科和领域产生了重要影响。

成果入选中国科学十大进展（2016、2018），获教育部自然科学一等奖（2019）。2020年，团队承担建设的怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台开工，将为我国率先打破量子材料瓶颈、引领轻元素先进材料研发新潮流奠定坚实基础。团队主要成员包括物理学院李新征教授、徐莉梅教授和化学与分子工程学院高毅勤教授等。

邓宏魁

成功实现体外培养

人类成体肝脏细胞功能长期维持

如何大量制备功能成熟细胞是再生医学的关键瓶颈和挑战，解决的突破口之一是实现功能细胞在体外的长期维持。2019年4月，生命科学学院邓宏魁教授与合作者在Science发文，以人原代肝细胞为研究对象，筛选到一个化学小分子组合。经该组合培养的人肝细胞，可在体外长期维持各种肝细胞功能，并支持乙肝病毒在体外人肝细胞中的高效感染，为筛选抗乙肝药物提供了理想模型。该成果为药物研发提供了重要工具，并为体外大量制备维持功能成熟的人肝细胞提供了条件。

研究团队长期致力于采用化学小分子调控细胞的命运和功能，系统性建立了化学重编程的方法制备各种功能细胞和干细胞。该研究是化学重编程在功能细胞维持方面的应用，首次证明利用化学小分子调控信号通路可实现人功能细胞在体外的长期维持，表明化学小分子在精细调控细胞命运和功能上的优越性，为其他类型细胞体外功能的长期维持提供了新途径。

蒋争凡

锰离子免疫调节及其生理学功能

取得新突破

锰是地球排名第五的金属，含量巨大。锰离子则是生命体必需元素，参与多种生理生化反应，但其免疫功能从未被发现。

2018年以来，生命科学学院蒋争凡实验室先后发现锰离子（Mn²⁺）在抗病毒、抗细菌及肿瘤免疫监视与治疗中发挥关键的免疫调节作用；Mn²⁺还是细胞内的免疫激活剂。这些成果为Mn²⁺的免疫功能研究打开了新窗口；也为其在抗感染、抗肿瘤的实际应用提供了理论基础。以此为基础，实验室发明了可激活细胞免疫、体液免疫和黏膜免疫的“锰佐剂”及用于肿瘤治疗的“锰免疗法”。

锰佐剂具有高效性、稳定性及使用方便等优点，具有巨大的市场潜力。锰免疗法不仅显著提高肿瘤免疫治疗效果，还显著降低肿瘤免疫治疗的成本，有望极大降低国家和患者负担，惠及国计民生。

郭雪峰

新一代单分子芯片和分子诊断技术

单分子电子器件

化学与分子工程学院郭雪峰课题组在单分子科学与技术领域的“无人区”发展了制备稳定单分子器件的突破性方法，构建了国际首例稳定可控的单分子开关器件，开拓了单分子科学研究的新领域，曾获教育部自然科学奖一等奖、中国高等学校十大科技进展、中国科学十大进展。

该研究结合国家重大需求，在单分子场效应晶体管、精准分子诊断技术、快速病毒检测技术和单分子传感器等方面均突破了许多瓶颈技术，是未来分子光电子器件的基石。为揭示单分子光电转化规律、化学反应的内在机理和生命本征现象提供了新一代独特的研究手段和谱学方法，在集成电路芯片技术、基因测序和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。

周欢萍、严纯华

大幅提升钙钛矿太阳能电池寿命

钙钛矿太阳能电池是广受关注的新一代光伏技术，如何提高其长期稳定性是该技术商业化进程中亟待解决的问题。

材料科学与工程学院周欢萍团队和化学与分子工程学院严纯华团队合作提出，在钙钛矿活性层中引入具有氧化还原活性的Eu³⁺-Eu²⁺的离子对，实现了器件全寿命周期内的本征缺陷的消除，在保证器件高效率的基础上，大大提升了电池的长期稳定性，有力推动了钙钛矿光伏技术的发展。该方法解决了铅卤钙钛矿太阳能电池中限制其稳定性的一个重要的本质性因素，可推广至其他的钙钛矿光电器件，且该方法对其他面临类似问题的无机半导体器件也具有重要参考意义。

张锦、刘忠范

纳米碳材料的

制备科学、批量制备与装备研发

纳米碳材料在未来半导体、微纳电子、能源和轻质高强材料等领域具有重要的应用前景，是主导未来高科技产业竞争的战略材料。

面向纳米碳材料的制备科学和产业化关键技术，张锦院士团队、刘忠范院士团队在单壁碳纳米管水平阵列和石墨烯薄膜的制备科学、高品质石墨烯薄膜的批量制备与装备研发方面取得一系列突破，实现了单一手性、高密度单壁碳纳米管水平阵列的制备，为基于碳纳米管的纳电子器件应用奠定了材料基础；实现了大面积超洁净石墨烯、超级石墨烯玻璃、A3尺寸石墨烯薄膜和六英寸石墨烯单晶晶圆的制备及装备研发，解决了高品质石墨烯薄膜材料难以低成本、批量制备的瓶颈问题，对纳米碳材料的产业化起到了重要的推动作用。

高文

5G+8K超高清制播传显系统

央视牵头展出了超高清8K数字转播技术与系统，围绕冬奥会8K制播、传输和呈现进行系统展示，在核心传输层面采用由北京大学牵头制定的AVS3.0标准。AVS3.0标准是面向8K超高清的新一代视频编码标准，自2017年12月起开始制订，2019年3月发布标准，这是我国首次在视频编码领域领先国际发布。

信息科学技术学院高文院士团队研制了第一个基于AVS3.0标准的8K超高清实时编解码器，支撑了我国第一个8K超高清频道CCTV-8K的开播，并用于2021年春节联欢晚会等重大活动的直播。2022年北京冬奥会将继续采用AVS3.0标准进行8K超高清体育赛事观赛。

黄铁军

超高速脉冲相机

百万像素的脉冲相机

北京大学自主知识产权的超高速脉冲视觉芯片【通过脉冲视觉(北京)科技有限公司转化】首次展示了系统和典型应用，涉及高铁实时监测、高频电弧放电检测、6马赫风洞观测等。脉冲视觉模拟灵长类视网膜编码原理，推翻了沿用近两个世纪的图像和视频概念，每个像素独立将光信号转换成比特流，完整记录光的高速变化过程，有望从源头重塑包括采集、表示、编码、检测、跟踪和识别在内的整个视觉信息处理体系。

该团队已经研制出超高速脉冲视觉感知芯片、相机和系统，比传统视频快千倍，实现了超高速连续成像和高速目标实时检测跟踪识别。团队还采用脉冲神经网络开发了相应的超高速目标实时检测跟踪算法，利用笔记本电脑算力，就能实时追踪识别高速风扇叶片上的文字，并驱动激光器实时击中，据此测算，只要光学系统允许，这一系统已经能够跟踪识别所有可能的高速运动物体。

陈宝权

交互式多维度观赛体验技术与系统

伴随5G时代来临以及显示技术的进步，视频技术从“看得见”“看得清”进入“看得真”的超高清和虚拟现实时代。2022年世界冬季奥运会首次在我国举行，信息科学技术学院前沿计算研究中心陈宝权教授团队针对冰雪运动特点，突破虚拟现实（VR）视频和自由视角视频节目拍摄、内容生成、高效编解码、自适应传输和交互式呈现等关键技术，研制VR和自由视角视频节目采集系统、内容生成系统、实时编解码器、自适应传输系统和交互式终端，进行端到端系统集成，建立一套交互式多维度观赛体验系统，并在有线电视网、电信网、5G网和互联网等平台实现示范应用。

项目成果将在冬奥会相关赛事中实现示范应用，形成VR和自由视角视频方面的国家/国际标准，积累一批自主知识产权，大力促进我国超高清和虚拟现实技术及产业发展。

颜学庆

激光加速肿瘤治疗模型

科技部副部长李萌（左三）等观看激光加速肿瘤治疗装置模型

强激光等离子体具有超高加速场，引发了加速器和光源领域新的革命。北京大学与上海交通大学、中国科学院物理研究所联合展示了在超高信噪比激光关键技术、粒子加速、高亮度辐射源及天体加速模拟方面的一系列突破性成果，其中，物理学院颜学庆教授率领的激光加速研发团队经过多年研究，攻克高对比度与高光强激光、自支撑纳米薄膜靶制备、超高流强离子束传输和激光加速器辐照研究平台等关键技术，于2018年建成世界上首台小型激光加速器辐照装置。该紧凑型激光质子加速器能够产生1～15 MeV能量、1%～5%能散可调、1～20 pc电量的稳定的质子束，首次实现从激光加速到激光加速器的跨越。

2019年，团队获批承担建设怀柔综合性国家科学中心首批交叉研究平台——北京激光加速创新中心，建造重频拍瓦激光加速装置，支撑未来激光质子放疗系统、激光驱动伽马光源和激光驱动宽谱相干光源的研发和产业化应用。

要茂盛

新冠病毒气溶胶监测

与新冠肺炎快速筛查

呼出气VOC指纹快速筛查新冠肺炎系统TBN在展览现场

环境科学与工程学院要茂盛教授领衔的生物气溶胶团队瞄准重大关键科学问题，通过原始技术创新，在生物气溶胶采集监测、气溶胶传播病原体与耐药基因以及空气毒性人体疾病“烟雾报警器”原创研究等方面做出引领性成果，被国际专业顶级刊物授予首届“卓越研究奖”。

面对突来的新冠肺炎疫情，团队紧急创建了基于机器人采样的新冠病毒气溶胶现场快速检测系统Air-nCoV-Watch（ACW），揭示了人体呼吸气溶胶是新冠病毒传播的重要方式，最早报道了新冠肺炎病人的呼出气挥发性有机物VOC标志物指纹，并集成研发了一套完整的基于呼出气VOC快速筛查新冠肺炎系统（Test-Breath-Now，TBN），应用前景广泛。新冠肺炎疫情防控研究成果入选2020年度中国生态环境十大科技进展。

谢晓亮、乔杰、汤富酬

植入前胚胎遗传学诊断新方法

MARSALA方法示意图

为解决植入前胚胎遗传学诊断在准确性、可操作性、诊断成本等方面面临的难题，北京大学谢晓亮、乔杰、汤富酬团队与亿康基因科技有限公司合作，研发出植入前胚胎遗传学诊断新方法(mutated allele revealed by sequencing with aneuploidy and linkage analyses，MARSALA)。该技术在单细胞水平上通过一步高通量测序即可检测致病基因突变位点和全基因组范围染色体异常，同时完成高精度连锁分析，全面提高诊断的覆盖面和精准性，预防单基因遗传病，避免患儿出生。

与之前常用方法相比，MARSALA具有精度高、分析全面；能够进行多重校验，大大提高诊断的精确度和可靠性；成本大大降低；操作方便；对各种遗传病患者家系的兼容性高；适用范围广等六大突出优势。截至目前，该技术已成功造福上千个家庭。

黄晓军

非体外去T单倍型相合

造血干细胞移植体系

异基因造血干细胞移植是治愈白血病等重症血液病的最有效方法之一，因人类白细胞分化抗原(HLA)单倍型相合(半相合)移植难以实现，供者来源匮乏困扰全球多年。 

近20年国家血液系统疾病临床医学研究中心、北京大学人民医院黄晓军团队突破细胞因子诱导免疫耐受、改善造血微环境促进干细胞植入等关键技术，首创国际首个非体外去T半相合造血干细胞移植体系，使得“父母供子女”“子女供父母”等半相合移植模式取得与同胞相合、骨髓库移植一致疗效。2016年，世界骨髓移植协会命名该体系为“北京方案（Beijing Protocol）”，该方案得到我国(含港台)150余家中心应用，近6年半相合供者已超越相合同胞成为我国排名首位造血干细胞来源（达60%）；推广海外覆盖全球半相合移植50%以上案例。“北京方案”核心技术两次获得国家科技进步二等奖。

鲁凤民

乙肝前基因组RNA检测试剂

HBV RNA病毒样颗粒的形成示意图

基础医学院鲁凤民教授团队在“十一五”“十二五”“十三五”重大传染病防治国家科技重大专项支持下，致力于乙型病毒性肝炎的基础及转化医学研究。鲁凤民作为课题负责人带领团队取得了一系列创新成果，在国家重大专项办公室推荐下，连续参加了国家“十一五”“十二五”和“十三五”科技成果展。

该团队首次确定血清乙肝前基因组RNA（HBV RNA）的来源，并提出HBV RNA病毒样颗粒的概念，完善了HBV的生命周期。该团队建立了HBV RNA的检测体系，相关技术申请发明专利多项，并与国内多家企业联合研发了血清HBV RNA检测试剂盒，为慢性乙肝抗病毒治疗的疗效评估和预后判定提供了新指标。

张远航

京津冀、长三角、珠三角

大气污染联防联控

团队研发的大气环境监测高精尖技术装备

环境科学与工程学院长期致力于大气环境监测新技术和新方法的研发工作，研究成果不仅为我国区域大气污染成因研究提供技术支持，更成为国家大气污染防治业务化监测的方向。

张远航、胡敏、曾立民等组织实施了“针对华北平原区域大气污染形成机制的大型国际综合观测实验”，建立了北京大学大气污染超级观测站（PKUERS）开展长期观测研究，可测量数百个大气参数，拥有高端测量设备包括LIF-FAGE系统，其中半数以上是未商业化的尖端测量设备，实现了大气OH和HO₂自由基的实时准确测量。

张远航院士团队长期攻关困扰珠三角的大气复合污染问题，先后牵头设立了珠三角区域空气质量综合实验计划PRIDE-PRD，5次率领国内外研究团队开展外场观测实验。珠三角境内已经建立起包括地面监测网、超级站、航测、卫星等技术为一体的国际领先的大气综合立体观测网，成为我国大气污染防治工作的“标杆”。

屠鹏飞、姜勇

肉苁蓉系统研究与产业化推广应用

肉苁蓉为常用补益中药和濒危沙漠寄生植物，乱采滥挖导致野生资源枯竭和环境恶化。药学院屠鹏飞、姜勇教授团队先后主持“肉苁蓉大品种的研究与开发”“新疆于田县特色药材科技惠民示范工程”等重大项目，经过近30年的研究，在国际上首创寄生植物大面积高产稳产技术体系，系统阐明了肉苁蓉功效物质和作用机制；构建了完善质量标准体系，将管花肉苁蓉收入2005版《中国药典》；研发了新药苁蓉总苷胶囊、松果菊苷片、润通口服液，以及保健食品、大健康产品40余种。

迄今，团队推广种植寄主植物梭梭和柽柳600余万亩，接种肉苁蓉200万亩，为国家节约治沙资金120亿元，带动15万余人脱贫致富。项目的实施拯救了濒危药材资源，促进中药产业可持续发展；治理大片沙漠，促进民族地区经济发展、农牧民致富和社会稳定，取得巨大的生态、经济和社会效益。

“中华文明探源项目”是一项由国家支持的自然科学与人文社会科学结合研究中国古代历史与文化的重大科研项目。该项目对中华文明的起源与进程、性质与特点进行了多角度、多层次、全方位综合研究，建立了人文社会科学与自然科学交叉融合的研究方法，系统揭示了中华文明多元一体格局形成的过程及其原因和机制，实证了中华文明5000多年历史绝非虚言的事实，从理论与实践方面阐明了中国文明对当今人类发展的借鉴意义。

考古文博学院和物理学院老师组成的研究团队在年代研究方面作出了重要贡献，利用加速器质谱技术开展碳十四年代研究，测定了几十个重要遗址的年代，为精确判断关键节点和重大事件的年代提供高精度年代数据，为中华文明起源与早期发展阶段的研究提供了年代学支撑。

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