为什么是这四位科学家,拿下了2020年未来科学大奖?

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  96日,2020年未来科学大奖获奖名单公布。其中,“生命科学奖”授予了张亭栋和王振义,表彰他们分别发现了三氧化二砷和全反式维甲酸对急性早幼粒细胞白血病的治疗作用。卢柯凭借其对纳米孪晶结构及梯度纳米结构开创性的发现,同时实现了铜的高强度、高韧性和高导电性,因此获得本年度“物质科学奖”。彭实戈因其在倒向随机微分方程理论,非线性Feynman-Kac公式和非线性数学期望理论中的开创性贡献,荣膺“数学与计算机科学奖”。

  未来科学大奖是什么?获得这个奖的研究到底有多厉害?

  未来科学大奖是中国第一个民间发起的大型科学奖项,旨在奖励在大中华地区(包含中国大陆地区、香港、澳门及台湾)完成研究的科学家,且研究要具备原创性、长期重要性和巨大的国际影响。

  未来科学大奖单项奖金为一百万美元(人民币约700万元),奖金来源于公共声誉优良、社会贡献突出且深度认同科学价值的行业领袖自愿出资,每项奖金由四位捐赠人共同捐赠。从2016年至今,已有20位科学家获此殊荣,本年度获奖的四位科学家均在各自的研究领域作出了世界级的原创性科研成果。

  他们的研究为什么值得这个奖项?

  “生命科学奖”表彰的研究是,发现三氧化二砷和全反式维甲酸对急性早幼粒细胞白血病的治疗作用。

  急性早幼粒细胞白血病(APL)是一种特殊类型的急性白血病,曾经令世界范围内的血液病医生们束手无策。早幼粒细胞也叫前骨髓白血球,是各种血细胞产生过程中的一个中间形态,正常人体内仅存在于骨髓中。大部分APL患者身上带有的某种基因缺陷(15号、17号染色体易位),导致他们身体中白血球的分化和成熟发生异常,骨髓和外周血中的早幼粒细胞大量增加。而过剩的早幼粒细胞会导致人体出现一系列凝血功能异常,极易发生内出血和微血栓。

  在有效的治疗方案诞生前,大量患者因此失去生命,平均中位生存期仅仅有12.6个月。

  20世纪70年代,张亭栋及其同事的研究首次明确三氧化二砷(ATO,俗称砒霜)可以治疗急性早幼粒细胞白血病。1996年,中国学者陈竺和张亭栋在世界著名学术刊物《血液学》发表文章,阐明ATO诱导白血病细胞凋亡的初步机理。

  20世纪80年代,王振义和同事们则首次证明全反式维甲酸(ATRA)对APL有显著的治疗作用。他的成果为APL的分化诱导疗法开辟了道路。ATRA是一种维生素A的衍生物,与其它化疗药物不同的是,它的作用机理并非直接摧毁引发人体异常的早幼粒细胞,而是将其分化诱导为白细胞,再像普通白细胞一样凋亡。

  

  张亭栋和王振义,来源:未来科大奖官网

  张亭栋和王振义等人的开创性成果,令ATRAATO在我国的规范化临床应用成为可能,国内APL患者的治疗5年后生存率也达到了世界领先的90%。目前,APL已成为基本不用进行造血干细胞移植即可治愈的白血病。他们的工作在国际上同样得到了验证和推广,ATOATRA已成为当今全球治疗APL白血病的标准药物,众多患者的生命因此获得拯救。

  我们在振奋之余也必须要看到,APL仅仅是白血病的一种分型,在白血病的诸多类型中,所占比率很小。白血病依照发病原因分为骨髓型和淋巴型两种,各自根据病程进展情况又分为急性和慢性。APL是急性骨髓型白血病的一种,而且仅占后者总发病人数的10%左右,综合发病率约为2—3/10万人。

  

  白血病的分型和发病人数占比,来源:见图

  王振义在获奖感言中也对这一现状表达了一定的失望,“我觉得我这个方法治疗的只是一种急性白血病,不是治疗所有的急性白血病。每天都有急性白血病的人死去,我非常难过,觉得我们努力了几十年就解决了一种白血病。”

  王振义院士的这番话,让我们深切地感到一位医学家的宅心仁厚以及科学技术的进步之艰难。

  无论如何,中国科学家在人类战胜急性早幼粒细胞白血病的征途上发挥了领军人物一般的关键作用。张亭栋和王振义获得未来科学大奖,实至名归。

  “物质科学奖”表彰的研究是,“鱼与熊掌可兼得”,即同时拥有高强度、高塑性和高电导率特点的纳米结构金属。

  让金属材料同时具有高强度、高塑性和高电导率曾经被认为是不可能完成的任务。当我们尝试提高金属材料的强度,塑性和电导率必然会相应下降。这一现象的原理还要从金属材料的结构说起。

  普通的金属单质材料都是原子晶体,原子是构成晶体的基础组分。当金属原子在三维空间中以一定的规则紧密排列并相互堆叠,就会形成我们肉眼可见的块状金属。实际上,对于一块普通金属来说,从原子到块体之间,还有一种介于二者的结构存在,这就是晶粒。晶粒可以认为是金属原子们聚集起来形成的团块组织,它们相互之间的边界就是晶界,宏观的金属块体其实是由无数的晶粒组合起来形成的。

  可以用石榴的结构来辅助理解金属块体的结构。如果把整颗石榴看做是块金属,其中的每颗种子看做是金属原子,那么由白色组织隔开的各个部分就可以看做是不同的晶粒,白色的组织就是晶界。

  

  石榴的果实,作者:Fir0002,来源:维基百科“石榴”条目

  晶粒的尺寸有大有小,大起来大的惊人,小起来也小的离谱。最大的晶粒可以和宏观材料本身一样大,一块材料内部没有晶界,整个就是一个晶粒,这就是所谓的单晶。

  形成单晶需要相对苛刻的条件,因此除非特别制备,自然界中的单晶很少能长大到大型人工单晶的程度。普通金属材料的晶粒尺寸大概在数十到数千个微米范围内。而当晶粒尺寸继续缩小,缩小到数十纳米到数百纳米的范围内,就形成了我们经常听到的纳米金属。

  说完了金属结构的基本知识,我们再来谈谈为什么传统金属材料的硬度和塑性及电导率存在矛盾。

  提高传统金属材料的强度有很多种方法,但这些方法大部分情况下都会让材料的微观组织细化,也就是晶粒增多,晶界数目增加。

  为什么晶粒和晶界的数目增加了,材料的强度就能提高呢?我们可以大概地将这一问题做如下的粗浅理解。

  低温下,晶界处的强度高于晶粒内部,晶界的存在好比是材料的内部出现了一系列均匀分布的增强筋。当金属材料受到外力发生变形时,这些增强筋会对变形产生强烈的抵抗,反应到宏观上,就是材料的强度得以增加。同时,在一定范围内,晶界还可以给金属材料提供额外的塑性变形能力,即塑性也得以增加。

  

  大块的镓单晶(图中各多面体),作者:foobar,来源:维基百科“晶体”条目

  晶粒细化在一定范围内可以同时提高材料的强度和塑性,因此在工业上具有十分广泛的应用。但当细化程度逐渐增加,比如一直细化到纳米级晶粒,即到达所谓纳米金属的领域,提高强度就会带来塑性的降低。这时晶界密度过高,稍有外界变形就会产生很大的抵抗,强度提高的同时塑性也被牺牲。

  此外,电流在金属导体中进行传导时,遇到晶界就像是高速公路行驶过程中通过收费站,传导速度自然会有降低。因此,晶粒越密集,晶界越多,对电流的阻滞效果也就越明显,纳米金属的导电能力发生降低并不奇怪。

  长久以来,人们始终认为,纳米金属的强度和塑性以及导电性之间存在天然的矛盾,无法实现两全其美的状态。然而,卢柯在对纳米金属长期的研究和观察中,却发现如果对纳米金属的结构再进行一些修饰和调整,完全有可能让纳米金属集各种性能于一身,成为突破常理的神奇材料。

  卢柯和他的研究团队先后发现了两种新型纳米结构,在金属材料强化原理上完成了重大突破。这两种结构是高密度纳米孪晶和梯度纳米结构,它们在具备超高强度的同时,分别还具有极强的导电性能和塑性变形能力。例如,高密度纳米孪晶铜不仅具有远高于一般金属铜的强度,还具有和普通无氧铜相媲美的极高导电能力。而具有梯度纳米结构的纯铜样品,强度较普通粗晶铜高一倍,同时拉伸塑性不变,突破了传统强化机制的强度-塑性倒置关系,已被应用在工业界并取得了显著的经济效益。

  卢柯院士的上述研究成果均在沈阳材料国家实验室和中科院金属研究所完成,是进入新世纪以来我国科学家在物质和材料领域取得的重大原创性成果。

  

  卢柯与彭实戈,来源:未来科大奖官网

   “数学与计算机科学奖”,颁给了彭实戈,表彰他在倒向随机微分方程理论,非线性Feynman-Kac公式和非线性数学期望理论中的开创性贡献。

  彭实戈教授是中国金融数学的奠基人,他创立的“倒向随机微分方程”在期权期货等金融衍生证券定价中有重要作用。20108月在印度海得拉巴召开的国际数学家大会上,他受邀作了一小时大会报告,是中国大陆本土数学界获此荣誉的第一人。

  大会现场与彭实戈教授进行的连线对话中,他表示得知获奖消息很高兴,他希望用这笔奖金来推动自己所研究领域的发展,因为他相信自己所从事的研究是面向未来的科学。

  科学成果值得被看见,科学家值得被看见。本年度获奖的几位科学家,均在中国大陆做出了世界级的优秀成果。相信随着中国经济和科技实力的发展,更多的中国科学家能够斩获殊荣,也希望未来科学大奖能够成为更加重量级的世界科技奖项。

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