2017年2月20日，科技部基础研究司与科技部高技术研究发展中心联合召开“2016年度中国科学十大进展解读会”，发布了2016年度中国科学十大进展。北京大学有两项研究成果入选，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授课题组研制出首个稳定可控的单分子电子开关器件，北京大学量子材料科学中心王恩哥院士和江颖教授领导的课题组首次揭示水的核量子效应。

郭雪峰与解读专家方维海院士合影

江颖与解读专家谢心澄院士合影

此次入选的2016年度中国科学十大进展还有：研制出将二氧化碳高效清洁转化为液体燃料的新型钴基电催化剂;开创煤制烯烃新捷径;揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制;提出基于胆固醇代谢调控的肿瘤免疫治疗新方法;揭示RNA剪接的关键分子机制;发现精子RNA可作为记忆载体将获得性性状跨代遗传;构建出世界上首个非人灵长类自闭症模型;揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机理。

所有获奖人员合影

“中国科学十大进展”遴选活动由科技部高技术研究发展中心举办，至今已成功举办了12届，旨在宣传我国重大基础研究科学进展，激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神，开展基础研究科普宣传，促进公众理解、关心和支持科学基础研究，在全社会营造良好的科学氛围。中国科学十大进展遴选程序分为推荐、初选和终选3个环节。《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》5家编辑部推荐了278项科学研究进展，所推荐的科学进展须是在2015年12月1日至2016年11月30日期间正式发表的研究成果。科技部高技术研究发展中心此前组织召开了中国科学十大进展初选会议，按照推荐科学进展的学科分布，分成物理和天文科学、化学和材料科学、地球科学、生命科学等4个组，邀请专家从推荐的科学进展中遴选出30项进入终选。终选采取网上投票，邀请中国科学院院士、中国工程院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等2000余名专家学者对30项候选科学进展进行网上投票，得票数排名前10 位的科学进展入选“2016年度中国科学十大进展”。

成果简介：

“揭示水的核量子效应”

水无处不在，理解水的结构和物性对于人类的社会和生命活动具有非常直接和深远的意义。然而，水的结构和许多反常物性至今仍无法被人所理解。《科学》杂志在创刊125周年之际，公布了本世纪125个最具挑战性的科学问题，其中就包括：水的结构如何?那么水为什么会这么复杂呢?

对于大多数材料体系而言，一般只需要考虑电子的量子化，原子核则被当作经典粒子来处理。然而，水中三分之二的原子是氢原子，由于氢原子核的质量很小，其量子效应会异常显著。氢核的量子效应对水的氢键相互作用到底有多大影响?或者说氢键的量子成分有多大?被认为是揭开水的奥秘所需要回答的关键问题之一。由于氢核的量子化研究无论对于实验还是理论都非常具有挑战性，这个问题一直没有得到很好的解答。

北京大学物理学院王恩哥和江颖研究组与合作者，在相关实验技术和理论方法上分别取得突破：发展了一套“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术，获得了单个水分子的高分辨振动谱，并由此测得了单个氢键的强度;开发了基于第一性原理的路径积分分子动力学方法，实现了对电子量子态和原子核量子态的精确描述。基于此，他们在国际上率先测定了氢键的量子成分，首次在原子尺度揭示了水的核量子效应。研究结果表明，氢键的量子成分可远大于室温的热能，氢核的“非简谐零点运动”会弱化弱氢键、强化强氢键，这个物理图像对于各种氢键体系具有相当的普适性。

该工作是对“氢键的量子成分究竟有多大”这一物质科学中基本问题的首次定量解答，澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质，将可能刷新我们对水和其他氢键体系的认知，未来会对很多实际问题，如环境保护、清洁能源、药物设计等，发挥巨大作用。该研究论文发表在2016年4月15日【Science 352(6283): 321-325】上，被匿名审稿人评价为氢核量子效应研究的实验杰作 (tour de force experiments)，德国核量子效应研究领域权威专家Dominik Marx教授认为该工作“完成了难以置信的任务”，此外，英国物理学会著名杂志Physics World以Probing the quantum nature of water为题对该工作进行了专访报道。早些时候，该工作还入选了两院院士评选的“2016年度中国十大科技进展新闻”。

“世界首例稳定可控的单分子电子开关器件”

利用单分子构建电子器件对突破目前半导体器件微小化发展的瓶颈意义重大。实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键。自上个世纪70年代以来，设计构筑稳定可控的单分子器件，探索其与微电子工艺的兼容性，并获得真正意义上的分子电子开关，在当代纳米电子学研究中具有重大的科学意义。

郭雪峰研究组围绕单分子光电子学领域开展了长达9年的潜心钻研和持续攻关。他们原创性地发展了以石墨烯为电极、通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法，解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题。在此基础上，他们与其合作者利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极，通过功能导向的分子工程学成功地克服了二芳烯分子与石墨烯电极间强相互作用的核心挑战性问题，从而突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。这项研究工作使得在中国诞生了世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件。这也是几十年来我国在分子电子学领域的科学研究第一次发表在《科学》杂志上。石墨烯电极和二芳烯分子稳定的碳骨架以及牢固的分子/电极间共价键链接方式使这些单分子开关器件具有空前的开关精度、稳定性和可重现性，在未来高度集成的信息处理器、分子计算机和精准分子诊断技术等方面具有巨大的应用前景。

论文于2016年6月17日发表在《科学》上【Science 352(6292): 1443-1445】，申请了发明专利。这项研究证明功能分子可以作为核心组件来构建电子回路，为将功能分子应用到实用电子器件中迈出了关键的一步。该项工作得到了国内外同行的广泛认可和各种媒体的亮点报道，如美国化学会的《化学化工新闻》、英国皇家化学会的《化学世界》《国家科学评论》《中国科学报》《中国科学基金》和《化学进展》等。《科学》杂志同期也配发了长篇评述性文章，高度评价说：“他们的研究所示范的科学展示了在纳米尺度上对物质的精致控制，是一个凭借自身的努力、可敬的智力追求，具有广泛的长期效应。”该项工作也同时入选2016年度“中国高等学校十大科技进展”。