2024年“科学探索奖”获奖人介绍｜前沿交叉领域

代表性成果

单层纳米孔。自然界存在许多天然的膜蛋白通道，具有纳米孔结构。目前，利用纳米孔已实现单分子DNA测序。通过测量纳米限域孔道与单分子的相互作用，可从测量的单孔离子电流扰动中获取分子信息。纳米孔的尺寸是其分辨能力的主要决定因素。冯建东发展了人工单层纳米孔的化学制造策略，制造了二硫化钼纳米孔，其具有亚纳米厚度和孔径，解决了极小纳米孔的制造问题，提升了纳米孔分辨能力，实现了单氨基酸鉴定。单层纳米孔推动了纳米孔单分子测量的发展。而研究极端限域下的纳米孔离子、水和分子传输物理现象，突破了纳米流体学经典线性传输认知。单分子化学显微术。单分子成像是一个重要的科学挑战。针对已有单分子荧光成像无法避免激发光效应，冯建东发展了利用化学发光取代光学激发的单分子成像新方法。单分子化学反应信号微弱，反应过程和位置具有随机性，很难有效追踪和控制，冯建东提出单分子时空隔离策略，发明了单分子电致化学发光显微镜，在全暗背景下直接成像到溶液单分子电化学发光反应，实现了成像技术的创新。他进一步开发了不依赖电激发的单分子化学发光显微镜技术，可进行溶液深层次的化学成像。这一新型单分子化学显微术的成像能力可与单分子荧光显微术相媲美和进行互补，已被应用于生物成像、催化测量、定量分析，为化学测量和生物成像提供了新工具。

未来研究方向

将探索单分子和单细胞数字化新工具开发。由于蛋白质没有类似核酸的PCR扩增，且构成更为复杂，这提出了第一个挑战：单分子蛋白测序。电子显微镜和超分辨荧光显微镜可以解析位置，但是解析多维动态过程仍有不足，这提出了第二个挑战：单分子尺度多维度动态成像。冯建东的未来研究目标将发展单分子蛋白测序技术，发展单分子多维成像技术，为构建数字细胞提供工具。这一目标的实现有望在单分子水平建立对生命过程的新理解、发现和预测。

代表性成果

细胞生命活动具有高度复杂、动态的特点，细胞内的生物大分子在几十纳米尺度上有着复杂精细的组装结构。深入理解这些大分子的生理机制，需要发展细胞原位纳米分辨率可视化技术。纪伟围绕“技术无人区”，长期致力于仪器技术研究，基于提出的干涉定位方法，研制出ROSE和ROSE-Z显微镜，分别将荧光显微镜的XY和Z向分辨率提升到5纳米以内，在2014年诺奖技术单分子定位显微镜基础上，进一步突破了显微成像分辨率极限。相关技术已获3项专利，并应用于鞭毛微观病理结构、微管交叉等基础细胞生物学合作研究，为细胞纳米结构和生物大分子机器原位成像提供了有力工具。

未来研究方向

将采用多学科交叉研究技术路线，进一步开发纳米分辨率活细胞成像技术和冷冻超分辨光电融合成像技术，搭建多模态细胞全景纳米分辨率成像技术平台。这种全新的成像技术平台有助于我们深入理解细胞生命活动的细节，发现各种细胞器、生物大分子机器在跨尺度空间内如何执行功能，并将拓展生命科学前沿交叉新方向，实现纳米分辨率下细胞生理活动的动态追踪和全景解析。

代表性成果

计算能力的飞跃一直推动着人类社会的发展。然而，目前的计算硬件依赖由数以亿计的晶体管组成的复杂电路来实现信息处理能力，随着晶体管的集成密度逼近物理极限，这些硬件的计算能力提升正变得愈发缓慢，无法满足当前呈指数级增长的海量数据处理需求，这已成为人工智能时代人类所面临的核心挑战之一。针对单一晶体管器件不具备信息处理能力的固有局限，缪峰教授利用新材料和新物理，通过“原子乐高”的方式设计和开发全新电子器件。这些器件在单器件层面便展现出突出的信息处理能力，为提升硬件计算能力开辟了新路径。这类新器件能够处理极其复杂的信息，将可计算的复杂关联电子体系中的电子数量从大约100 个大幅提升至约10000 个，被Nature评价为“在理解复杂电子态方面展现出真正的希望”。缪峰团队成功设计和研制出“原子乐高”忆阻器和莫尔铁电拓扑器件，这些器件在信息处理过程中展现出很高的鲁棒性。此外，他们还开发出多种“原子乐高”类脑智能光电器件，实现了对包括手写数字/字母、运动信息以及宽光谱信息的实时感知。基于凝聚态物理领域最新的前沿进展，缪峰致力于探索能够超越传统半导体器件功能局限和功耗约束的全新原理类脑智能器件，有望为解决人工智能时代面临的“算力缺口”问题提供关键性的突破。

未来研究方向

针对传统机器视觉技术所面临的高能耗和长延时的挑战，缪峰教授通过对照具有低功耗自主感知能力的人类视觉系统，拟利用原子级二维材料物理性质的丰富多样性和高度可调性，突破硅基材料功能单一的局限性，设计和开发具备实时感知能力的类视网膜器件和芯片。更进一步，缪峰提出开发类视网膜芯片与类视觉皮层计算芯片一体化集成的类脑视觉架构，并据此研制超低功耗的类脑智能原型相机系统。缪峰围绕二维材料类脑器件、芯片与系统这一前沿方向开展研究，不仅将为未来智能机器视觉的发展带来全新思路，而且将向人们展示，通过物理、材料、信息和生物神经科学等多学科交叉研究，如何将二维材料这类过去二十年间发现的最为重要的材料有效应用于未来的智能场景中，推动人工智能技术的飞跃发展。

代表性成果

晶体管是构建芯片的基础单元。当前集成电路的发展已经高度成熟，传统晶体管的尺寸微缩和性能提升逐渐趋于饱和。高迁移率低维原子半导体有物理优势延续摩尔定律。邱晨光专注于后摩尔纳米电子器件的研发，提出并实现一系列器件底层新机理、新结构和新工艺，在国际上率先实验证实了低维晶体管有超越硅晶体管的明确优势，推进低维晶体管性能超越了硅基极限。将低维晶体管的工作电压降到0.5V，并实现了晶体管历史上最高室温弹道率83%，为迄今最接近量子输运极限的晶体管。为构建未来亚1纳米节点芯片提供了更为高效的晶体管新结构。

未来研究方向

计划采用碳管和二维半导体技术来实现大规模CMOS异构集成，以期大幅度提升芯片速度并降低功耗。同时构建基于碳管和二维半导体的单片三维集成芯片，采用低维技术将有效解决硅基三维集成芯片的热预算瓶颈和散热困难。

代表性成果

自由电子指的是在自由空间（如真空腔或宇宙空间）中的电子乃至带电粒子，它们可以和光在不同的宏观与微观体系中发生相互作用。自由电子与微纳结构的相互作用是量子电动力学的重要研究前沿之一。杨易针对自由电子在复杂光学环境中的辐射与能量损失，给出了自由电子自发辐射与量子相互作用强度的解析上限进而揭示了低速电子辐射与量子作用的优越性。他预言并实验观测了光学平坦能带对自由电子与光子相互作用的增强效应。这些研究有助于对自由电子辐射源与加速器进行集成化，并有望为光量子的产生与调控提供新途径。

未来研究方向

将探索低速自由电子的量子相互作用优越性，具体体现包括自由电子与三维二维材料在多模式非互易等复杂光学环境中的量子作用上限以及低速电子独特的量子反冲效应。这些研究将指导优化自由电子与光子的作用场景用于探索强耦合作用效应与以自由电子为媒介的单光子非线性。这一系列研究将有助于实现基于非经典表面光学响应的场发射源与集成化的自由电子辐射器件。

代表性成果

长期从事人工智能与生命科学交叉研究，利用学科交叉的优势，在基因组和RNA 结构测序数据分析、生物大分子及复合物结构建模和预测等方面做出系列创新工作。代表性成果：1）发展了一系列基于高通量测序解析细胞内RNA结构和RNA-RNA相互作用的新技术，探测细胞内的RNA结构，填补了RNA领域细胞内结构研究手段的缺失。2）发现了大量在转录后调控、发育和疾病过程中起作用的RNA结构元件，解析了被感染的人类细胞内新冠病毒的RNA基因组结构，为抗病毒药物的研发提供了新思路。3）开发了多种模型、计算方法，预测RNA-蛋白质相互作用、鉴定大量人类和斑马鱼之间功能和机制保守的长非编码RNA等。这些成果不仅为结构生物学和RNA生物学研究提供了强大赋能工具，也为探索利用人工智能手段解决生命科学复杂问题的研究新范式做出了突出贡献。

未来研究方向

RNA 分子可以折叠形成复杂结构，其结构动态性受环境影响变化很大，导致了RNA结构难以被传统实验方法解析，目前也没有办法高通量地得到高精度的三维结构。是否可开发一个RNA版本的AlphaFold预测RNA三维结构？然而，由于RNA结构的高度动态性和已有知识的匮乏，简单复刻AlphaFold的成功是不可能的。张强锋致力于利用RNA结构测序得到的大量实验数据以及最新的人工智能技术，开发RNA三维结构发现和预测方法，这一目标的实现将把整个RNA生物学的研究推向一个新的境界。