2016未来科学大奖

Future Science Prize

生命科学奖 | 卢煜明

物质科学奖 | 薛其坤

成立于2016年年初的未来科学大奖，今天首次揭晓两位获奖者，生命科学奖得主是香港中文大学教授卢煜明，物质科学奖得主是清华大学教授薛其坤。每人将获得100万美元奖金。

未来科学大奖是中国大陆第一个由科学家、企业家群体共同发起的民间科学奖项，旨在关注原创性的基础科学研究，奖励为大中华区科学发展做出杰出科技成果的科学家（不限国籍）。奖项以定向邀约方式提名，并由优秀科学家组成科学委员会专业评审，秉持公正、公平、公信的原则，保持评奖的独立性。

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2016年未来科学大奖－生命科学奖获奖者

卢煜明

引领无创性产前诊断研究

►王晓东、饶毅、何川与捐赠人李彦宏、沈南鹏一起揭晓生命科学奖

自1989年证明孕妇的血液里存在胎儿细胞，卢煜明一直致力于研究分子生物学的临床应用，并在无创性产前DNA检测领域处于前沿的位置。

未来科学大奖科学家委员会委员王晓东介绍说：“孕妇产前诊断能避免胎儿遗传病的发生。例如，唐氏综合症，即21三体综合症是一种常见的遗传性疾病，病因在于胚胎染色体异常（多了一条21号染色体），导致体格发育迟缓及智力缺陷。孕妇产前检查可以诊断及避免唐氏综合征。然而，唐氏综合征及类似遗传性疾病的常规产前检查均需实施羊水穿刺后进行DNA分析，这种创伤性的检测会增加终止妊娠的风险.科学家们一直在致力于研发非侵入性产前诊断技术检测胎儿遗传异常。虽然胎儿有核细胞能够进入母亲的血液，但这些细胞数量稀少。卢教授在1997年和1998年的工作中发现母体血液中存在着胎儿的游离DNA。基于这些早期发现，卢教授展开了一系列前沿工作来研究这些胎儿游离DNA的特性，证明了使用胎儿游离DNA来诊断遗传性疾病的可行性和实际性，卢教授的工作最终使得利用第二代基因测序来定量测量胎儿DNA的方法用于唐氏综合症检测。这种无创产前检测已用于90多个国家。仅在中国，每年就有超过一百万孕妇接受这项测试。这个革命性的方法为全球无数的孕妇提供了无创产前诊断。”

1997年，卢煜明和同事在孕妇的血浆中发现胎儿DNA的存在，预言这一发现将会影响产前诊断的发展；2002年，他和其团队想法设法做到了识别孕妇与胎儿DNA的差异，解决了从孕妇的血液中识别出胎儿DNA的关键性难题；2007年，他和同事开发的检测方法成功地在孕妇血浆中检测到唐氏综合征的标志物。

利用他的这些发现，卢煜明推动了多个无创性产前基因检测的临床应用，其中最著名的是无创性唐氏综合征产前诊断的临床应用。相比正常的胎儿，患唐氏综合征的胎儿基因组多了一条第21号染色体。唐氏综合症的传统产前诊断方法一般是通过羊膜穿刺及绒毛取样等手段，直接从胎儿获得遗传物质作分析，但是这些有创性的方法存在导致孕妇流产的风险。使用卢煜明团队开发的无创性检测方法，只需要从孕妇的手臂抽取血液，利用高通量DNA测序技术分析母亲血浆里的DNA分子，就可以确定是否存在过量的第21号染色体的DNA分子，从而得知胎儿是否患有唐氏综合症，又避免了孕妇因受入侵性检测而流产的风险。目前，这一技术已为世界范围内的医学诊断实验室所采用。

卢煜明1963年10月12日出生于香港。他的父亲是一位精神病专家，母亲是一位钢琴家和歌手。

小学阶段，卢煜明在香港接受英式学校系统的教育，五年级时他通过竞争激烈的考试被英国圣约瑟夫学院（St. Joseph’s College）中学部录取。

1983年，卢煜明进入剑桥大学。他花了两年时间完成基础医学课程，并在第三年做克隆研究，于1986年获得文学学士学位。1989年，卢煜明又从牛津大学获得医学学士学位和外科学士学位，次年获得剑桥大学硕士学位。1994年，卢煜明在牛津大学取得哲学博士；七年之后，又取得牛津大学的医学博士学位。

卢煜明的学术研究生涯始于牛津。1990年至1993年，他在牛津大学赫特福德学院（Hertford College）担任自然科学初级研究员。后受威康研究职业发展基金资助做了一年的临床医学讲师，1994年被聘为临床生物化学讲师及格林学院讲师。与此同时，他还是牛津大学教学医院约翰·拉德克利夫医院（John Radcliffe Hospital）的化学病理学荣誉顾问。1997年1月，香港回归中国前夕，卢煜明回到出生地香港，加入香港中文大学，继续自己的科研事业。 

在卢煜明早期的研究生涯中，聚合酶链反应技术（PCR）对他专注于以后的胎儿产前检测研究有着重要的意义。

1987年，在牛津大学学习的卢煜明从一位年轻的研究员约翰·贝尔（John Irvin Bell）那里了解到PCR这一新技术，并跟随贝尔学习这一技术。PCR是一种用于扩增特定DNA的技术，由美国生物化学家凯利·穆利斯（Kary Mullis）于1985年发明，被广泛运用在医学和生物学的实验室，用于传染病的诊断、基因复制以及亲子鉴定等。1989年，卢煜明利用这一技术成功检测到孕妇的血液里存在胎儿细胞，为之后在孕妇血浆中检测到胎儿DNA这一突破性的进展打下了基础。

据《临床化学》的一篇文章，2008年，卢煜明产生了一个想法，测序胎儿的基因组，这是一个非常具有挑战的工作，涉及数十亿DNA片段的测序和组装。而他却苦于没有具体的研究思路，没想到一场偶然看到的电影带给了他灵感的火花。

2009年夏，卢煜明和妻子去看《哈利波特与混血王子》（Harry Potter and the Half-Blood Prince）的3D电影。戴上3D眼镜的时候，卢煜明看到电影Logo中的“H”字母迎面飞来的效果，他觉得字母H就好像两个同源染色体。他意识到，解决胎儿基因组的问题，需要从胎儿在父母双方身上各继承了什么的角度来考虑。对继承自父亲的一半，他们只需要寻找只在父亲体内存在的DNA片段；而对继承自母亲的一半，他们需要非常精确地计算从母亲体内继承的DNA数量。胎儿从母亲继承的DNA片段会过量存在于孕妇血浆中。 

From：知识分子，ID：The-Intellectual

2010年，卢煜明带领团队利用孕妇血浆中的信息成功描绘出胎儿整个的基因图谱，为产前诊断遗传病甚至癌症带来了革命性的突破。

卢煜明教授同时在探索以血浆分子技术检测并监控鼻咽癌和肝癌病况方面也做出了突出的贡献。

卢煜明教授的研究成果对全球医学及科学界影响深远，屡获国际奖项，包括2005年国家自然科学奖二等奖、2006年国际临床化学和实验室医学联合会─分子诊断学杰出贡献奖、2006年美国国家临床生物化学学院（NACB）杰出科学家奖、2006年裘槎基金会优秀医学科研者奖、2007年美国临床化学协会（AACC）Sigi Ziering奖、2012年AACC-NACB临床化学杰出贡献奖、2009年富布赖特香港杰出学者奖，以及2014年费萨尔国王国际医学奖。

卢煜明教授还于去年获得美国临床化学协会（AACC）颁发的2015年度Wallace H. Coulter讲学奖，是该奖的首位华人得主。

参考资料：

1.https://www.theguardian.com/science/2013/sep/01/dennis-lo-prenatal-research-cancer

2.http://clinchem.aaccjnls.org/content/58/4/784.long

3.http://www.thelancet.com/journals/lancet/article/PIIS0140-6736(97)02174-0/abstract

4.http://kfip.org/professor-yuk-ming-dennis-lo/

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2016年未来科学大奖－物质科学奖获奖者

薛其坤

享受科研的“7－11”教授

►丁洪、李凯、夏志宏与捐赠人徐小平、吴鹰、邓锋一起揭晓物质科学奖

2016年9月19日，清华大学教授薛其坤成为一个雄心勃勃、对标诺贝尔奖的中国民间科学大奖——“未来科学大奖”的首位“物质科学奖”得主。

未来科学大奖评奖委员会轮值主席丁洪介绍说：薛其坤利用分子束外延技术，在对奇特量子现象的研究中取得了突破性的发现。分子束外延生长是一种先进的薄膜生长方法，能在材料衬底上一层一层地生长单晶薄膜。他和合作者制备了多种高质量的单晶薄膜材料，这使他们首次发现量子反常霍尔效应和在钛酸锶衬底上的单层铁硒高温超导现象。这两个发现被许多研究小组重复出来，并在全世界范围内激发出更多的相关研究活动，有望进一步提升量子反常霍尔效应和界面超导的临界温度，从而具有更大的实用价值。

早在2013年，薛其坤就被称为“离诺贝尔奖最近的中科院院士”。那一年，他领衔清华大学物理系、中科院物理研究所和斯坦福大学的实验团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应，该成果2013年3月14日在《科学》杂志在线发表。

2013年4月9日，在清华大学举行的新闻发布会上，著名物理学家杨振宁教授发表讲话时表示：“这是从中国的实验室里头，第一次做出并发表出诺贝尔奖级的物理学论文。”

随后在接受凤凰网采访时，杨振宁再次表示，“我相信所有在前沿物理学做研究99%的人都会同意这是诺贝尔奖级的工作。”

饶有意味的是，杨振宁在这次采访中提到了自己的弟子张首晟（2008年首次提出二维拓扑绝缘体上可以实现量子反常霍尔效应的预言），并把薛其坤的实验发现消息与当年吴健雄所做宇称不守恒实验的故事联想在了一起——

张首晟教授讲到2012年10月里有一天，当他听到这个实验（编者注：指薛其坤团队工作）成功的时候，是他一生难忘的一天，这个故事就使到我想起来很多年以前，1956年12月的有一天，那个时候吴健雄正在做宇称是否守恒的实验，她打电话给告诉我她已经发现宇称是不守恒的！这当时是惊人的消息，可她说我们的实验现在数据还不够，不能随便讲，所以你不可以告诉别人，我们再继续试一下，希望我们可以得到更多的数据。这个电话挂下来一个小时以后，我就接到一个朋友的电话，他说，弗兰克，你听说了没有。我说听说什么？他说是吴健雄已经发现了宇称不守恒了。我说真的？你听谁说的，他不肯告诉我。后来过了一个礼拜，吴健雄继续做出来了非常准确的试验，发现了震惊世界和物理学界的一个大新闻“宇称不守恒定律”。

须知此前量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一，它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现，相关研究多次斩获诺奖。

1980年，德国科学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现了“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖。

1982年，美籍华裔物理学家崔琦（Daniel CheeTsui）、美国物理学家施特默（Horst L. Stormer）等发现“分数量子霍尔效应”，美国物理学家劳弗林（Rober B. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。

1988年，美国物理学家霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来科学家们一直没能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

量子霍尔效应是指强磁场下二维电子材料中出现的横向电导（电阻的倒数）量子化现象。它的另一个重要特征是纵向电阻消失：电子可以在材料的边缘上不发热地传导。也就是说，在强磁场下可以让电子有规律地运动，不损耗能量。

而量子反常霍尔效应是指，不需要强磁场，也能使电子运动没有能量损耗。它是由极化电子代替外加磁场所产生的量子化的霍尔效应。由于极化电子模拟出的外加磁场比现有实验室可达到的最强外加磁场高一百倍，量子反常霍尔效应将来可能导致室温量子器件。虽然理论上人们认为这种效应完全可以存在，但真正实现量子反常霍尔效应在材料制备和原位测量上存在着巨大的挑战。

世界上多个国家的顶尖科学家都在为此孜孜以求、苦苦寻找。薛其坤带领他的团队首次把分子束外延技术拓展到铁基超导材料的制备中，解决了材料制备的一个重要难题。在此基础上，他们发现了一类全新的低维高温超导体系——单层FeSe薄膜，其超导转变温度有超过77K（开氏温度=摄氏温度+273.15,绝对温度77K相当于-196.15摄氏度）的迹象，这一发现开辟了一种界面增强超导的新途径。从2008年到2013年，通过连续5年的研究，他们成功制备出了高质量的保护膜，观测到单层FeSe薄膜的零电阻和抗磁性现象。

这是颠覆欧姆定律的奇异量子现象。按照人们熟知的欧姆定律，电流在传输的同时会产生热，其热量正比于电阻以及电流的平方。热的产生既有用，也可能有害，比如目前整个微电子产业都面临着发热的瓶颈问题。然而，在超导和量子霍尔效应这两个奇异的量子现象中，发热问题可以被完全避免，也就是说欧姆定律可以被完全违反。更让人兴奋的无疑是其显露出来可能对人类社会产生巨大的应用前景。因此，这两种量子现象的相关研究成为过去几十年里凝聚态物理的热点领域。迄今，超导领域中获得了五项诺贝尔奖，量子霍尔效应领域获得了两项诺贝尔奖。

2012年10月，清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队和中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队合作攻关，克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并用该薄膜制备场效应器件，在极低温和零磁场条件下观察到霍尔电阻达到了量子化的数值即h/e²约25.8千欧姆，标志着实验上首次实现量子反常霍尔效应。

世界量子物理学将铭记这一刻。在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应132年后，中国科学家首次实现了其量子化。

薛其坤曾这样形象地解释这些高深的物理知识：计算机芯片里电子的运动几乎是无规律的，把电子比喻成人的话，从晶体管的电极一端到达另一端的过程，就像人从乱糟糟的农贸市场的一端走到另一端，总会走弯路、碰到人，那么就会造成发热、效率不高，这是目前晶体管发热的一个重要原因之一。

而量子霍尔效应就是一条高速路，有一定的规则，电子可以分车道分方向前进。但普通量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，大概是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍，要产生这样的磁场需要一个非常大的设备。薛其坤说，一般和冰箱那么大。

但是你能想象计算机旁边配一个冰箱那么大的设备来产生磁场吗？所以量子霍尔效应成本非常昂贵，庞大的体积也不适用于便携式电子产品，显然很难得到应用。“量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子元器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。”薛其坤说。

此后日本东京大学、美国加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院和斯坦福大学等4所国际著名高校的研究团队，相继复现了这一实验结果，进一步证明了实验的可靠性。而且激发出更多的相关研究活动，有望进一步提升量子反常霍尔效应和界面超导的临界温度，从而具有更大的实用价值。

From：知识分子，ID：The-Intellectu

本文薛其坤部分综合自新华社、中国新闻社、光明日报、科学网、清华新闻网、中科院物理所官网等报道。