解讀2022年度中國科學(xué)十大進(jìn)展

　   堅持“四個面向” 潛心基礎(chǔ)研究

　　解讀2022年度中國科學(xué)十大進(jìn)展(科技自立自強(qiáng))

　　3月17日，科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心(科技部基礎(chǔ)研究管理中心)發(fā)布了2022年度中國科學(xué)十大進(jìn)展，具體包括：祝融號巡視雷達(dá)揭秘火星烏托邦平原淺表分層結(jié)構(gòu)；FAST精細(xì)刻畫活躍重復(fù)快速射電暴；全新原理實現(xiàn)海水直接電解制氫；揭示新冠病毒突變特征與免疫逃逸機(jī)制；實現(xiàn)高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池和組件；新原理開關(guān)器件為高性能海量存儲提供新方案；實現(xiàn)超冷三原子分子的量子相干合成；溫和壓力條件下實現(xiàn)乙二醇合成；發(fā)現(xiàn)飛秒激光誘導(dǎo)復(fù)雜體系微納結(jié)構(gòu)新機(jī)制；實驗證實超導(dǎo)態(tài)“分段費米面”。

　　堅持“四個面向”，潛心基礎(chǔ)研究，專家學(xué)者對十大進(jìn)展的科學(xué)意義和潛在應(yīng)用價值進(jìn)行了解讀。

　　祝融號巡視雷達(dá)揭秘火星烏托邦平原淺表分層結(jié)構(gòu)

　　中科院國家天文臺研究員蘇彥：

　　2021年5月15日，我國“天問一號”首次火星探測任務(wù)“祝融號”火星車成功著陸在烏托邦平原。烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地，位于火星北半球，它的直徑大約是3300公里，曾經(jīng)可能是一個巨大的古海洋。中科院地質(zhì)與地球物理研究所陳凌、張金海團(tuán)隊利用火星車搭載的科學(xué)載荷探地雷達(dá)的科學(xué)探測數(shù)據(jù)，取得突破性進(jìn)展。該探地雷達(dá)利用電磁波可以穿透物質(zhì)的特性，給火星地下結(jié)構(gòu)做了高精度的CT掃描，首次獲得了烏托邦平原南部1171米距離地下深度80米之內(nèi)的精細(xì)分層圖像，發(fā)現(xiàn)淺表層存在著三層結(jié)構(gòu)：第一層是10米的火星土壤，另兩層是10—30米、30—80米隨深度物質(zhì)由細(xì)變粗的分層結(jié)構(gòu)。

　　分析表明，著陸區(qū)內(nèi)沒有找到0—80米液態(tài)水的存在證據(jù)，但不排除鹽冰存在的可能性。這一研究提供了火星長期存在水活動的觀測證據(jù)，揭示了火星從濕潤到干燥的變化，為深入認(rèn)識火星地質(zhì)演化和環(huán)境、氣候變遷奠定了重要基礎(chǔ)。

　　FAST精細(xì)刻畫活躍重復(fù)快速射電暴

　　清華大學(xué)教授馮驊：

　　快速射電暴(FRB)是宇宙無線電波段最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象之一。它的持續(xù)時間非常短(一毫秒左右)，強(qiáng)度非常低，觀測、研究的難度都非常大，是天體物理研究領(lǐng)域的重大熱點前沿之一。

　　中科院國家天文臺李菂、李柯伽團(tuán)隊利用500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST，發(fā)現(xiàn)了世界首例持續(xù)活躍的快速射電暴FRB20190520B，擁有已知最大的環(huán)境電子密度，有效推進(jìn)了FRB多波段研究。通過監(jiān)測活躍重復(fù)暴FRB20201124A，研究團(tuán)隊獲得了迄今為止最大的FRB偏振樣本，探測到FRB局域環(huán)境的磁場變化及其頻率依賴的偏振振蕩現(xiàn)象。針對活躍重復(fù)暴，組織國際合作，特別是美國大型望遠(yuǎn)鏡GBT協(xié)同F(xiàn)AST觀測，研究揭示了描述FRB周邊環(huán)境的單一參數(shù)即“RM彌散”，提出了重復(fù)快速射電暴偏振頻率演化的統(tǒng)一機(jī)制。

　　該研究精細(xì)刻畫了活躍、重復(fù)的快速射電暴，構(gòu)建統(tǒng)一圖景，稱得上是“教科書級別的發(fā)現(xiàn)”，為最終揭示快速射電暴的起源奠定了觀測基礎(chǔ)。

　　全新原理實現(xiàn)海水直接電解制氫

　　中科院化學(xué)研究所研究員張建玲：

　　氫能被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，電解水制氫被認(rèn)為是一種清潔、高效的方法。目前的電解水制氫技術(shù)均基于淡水電解原理，利用海水來直接實現(xiàn)電解水制氫意義非常重大。

　　但是海水的構(gòu)成非常復(fù)雜，除了含有大約96.5%的水之外，還含有各種無機(jī)物、有機(jī)物、固體顆粒、微生物等雜質(zhì)，使得海水電解時產(chǎn)生一系列問題。因此，現(xiàn)有的電解海水制氫技術(shù)，一般要先將海水進(jìn)行淡化，然后再進(jìn)行電解制氫。深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平團(tuán)隊通過將分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)過程與電化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，開創(chuàng)了海水原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)，建立了氣液界面相變自遷移自驅(qū)動的海水直接電解制氫理論方法，形成了界面壓力差海水自發(fā)相變傳質(zhì)的力學(xué)驅(qū)動機(jī)制，實現(xiàn)了無額外能耗的電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同海水遷移的動態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定海水直接電解制氫。該研究形成了從獨創(chuàng)性原理、突破性技術(shù)、國產(chǎn)化裝備到特色電解制氫產(chǎn)業(yè)模式的零碳?xì)淠馨l(fā)展路徑，應(yīng)用價值巨大。

　　揭示新冠病毒突變特征與免疫逃逸機(jī)制

　　中科院微生物研究所研究員嚴(yán)景華：

　　人類感染奧密克戎病毒是否會形成群體免疫，阻斷下一輪病毒的感染？能否預(yù)測下一個流行的新冠病毒？

　　曹云龍、謝曉亮團(tuán)隊和王祥喜團(tuán)隊率先揭示了新冠奧密克戎突變株及其新型亞類的體液免疫逃逸機(jī)制與突變進(jìn)化特征，揭示奧密克戎BA.1中和抗體逃逸機(jī)制，及其與病毒刺突蛋白結(jié)構(gòu)特征的聯(lián)系；發(fā)現(xiàn)奧密克戎BA.4/BA.5變異可逃逸人體感染BA.1后所產(chǎn)生的中和抗體，證明了難以通過奧密克戎感染實現(xiàn)群體免疫以阻斷新冠傳播；基于自主研發(fā)的高通量突變掃描技術(shù)，成功預(yù)測了新冠病毒受體結(jié)合域免疫逃逸突變位點，并前瞻性篩選出廣譜新冠中和抗體。

　　研究加深了人們對新冠病毒和體液免疫的理解，不僅為廣譜新冠疫苗和抗體藥物研發(fā)方向的調(diào)整提供了重要數(shù)據(jù)參考，也積極推進(jìn)了該領(lǐng)域的科技發(fā)展。

　　實現(xiàn)高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池和組件

　　中科院化學(xué)研究所研究員胡勁松：

　　鈣鈦礦太陽能電池是利用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的吸光材料將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。目前單結(jié)鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到25.7%。接近31%的理論效率，構(gòu)建疊層太陽能電池的理論效率可達(dá)45%左右。全鈣鈦礦疊層太陽能電池具有低成本溶液相處理的優(yōu)勢，在大規(guī)模應(yīng)用中展現(xiàn)出廣闊前景。關(guān)鍵的瓶頸問題包括：在基礎(chǔ)研究方面窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面缺陷密度高，制約了效率的提升；在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面大面積組件制備技術(shù)仍不成熟。

　　南京大學(xué)譚海仁團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)設(shè)計鈍化分子的極性，可以顯著增強(qiáng)缺陷鈍化效果，大幅提升了全鈣鈦礦疊層電池的效率。經(jīng)測試，疊層電池效率達(dá)26.4%，創(chuàng)造了鈣鈦礦電池新的效率紀(jì)錄，并首次超越了單結(jié)鈣鈦礦電池。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊開發(fā)出大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件的可量產(chǎn)化制備技術(shù)，使用致密半導(dǎo)體保形層來阻隔組件互連區(qū)域鈣鈦礦與金屬背電極的接觸，顯著提升了組件的光伏性能和穩(wěn)定性，研究具有廣闊的發(fā)展前景。

　　新原理開關(guān)器件為高性能海量存儲提供新方案

　　北京大學(xué)教授張興：

　　高密度與海量存儲是大數(shù)據(jù)時代信息技術(shù)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。近年來新型存儲器技術(shù)取得了很大發(fā)展，這些存儲器大多都需要一個雙向閾值開關(guān)器件用來改寫作為存儲載體材料的狀態(tài)，從而實現(xiàn)信息的存儲?，F(xiàn)在常用的雙向閾值開關(guān)器件采用的基本都是多元材料體系，組分里面包含多種元素，一是在12英寸的硅晶圓上制備出原子級均勻的材料很困難，二是這類多相材料還容易分相從而導(dǎo)致開關(guān)器件的壽命縮短。所以，尋找高性能開關(guān)器件成為新型存儲器發(fā)展過程中的關(guān)鍵。

　　中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所宋志堂、朱敏團(tuán)隊發(fā)明的基于單質(zhì)碲和氮化鈦電極界面效應(yīng)的新型開關(guān)器件，充分發(fā)揮了納米尺度二維限定性結(jié)構(gòu)中碲熔融—結(jié)晶速度快、功耗低的獨特優(yōu)勢，組分簡單，可克服雙向閾值開關(guān)復(fù)雜組分導(dǎo)致成分偏析問題，為發(fā)展海量存儲和近存計算提供了一種新的技術(shù)方案。

　　實現(xiàn)超冷三原子分子的量子相干合成

　　清華大學(xué)教授尤力：

　　利用高度可控的超冷分子來模擬難于計算的化學(xué)反應(yīng)，可以對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行全方位的精確研究。2003年，科學(xué)家首次從超冷原子氣中合成雙原子分子，多種超冷雙原子分子隨后在其他實驗室中被制備出來，并被廣泛地應(yīng)用于超冷化學(xué)和量子模擬研究中。相比于兩體，三體經(jīng)典系統(tǒng)極為復(fù)雜，更難于一般求解，三原子分子的量子能級結(jié)構(gòu)理論上無法精確預(yù)言，實驗操控極其困難，制備超冷三原子分子一直是實驗上的巨大挑戰(zhàn)。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博團(tuán)隊與中科院化學(xué)研究所白春禮團(tuán)隊合作，在雙原子鈉鉀基態(tài)分子和鉀原子的超冷混合氣體中，利用射頻合成技術(shù)首次相干地合成了超冷三原子分子。該研究為超冷化學(xué)和量子模擬的研究開辟了新的方向。

　　溫和壓力條件下實現(xiàn)乙二醇合成

　　天津大學(xué)教授鞏金龍：

　　乙二醇是重要的化工中間體，需求量大，發(fā)展可替代石油技術(shù)路線的煤制乙二醇具有重要意義。經(jīng)國內(nèi)多個研究團(tuán)隊30余年攻關(guān)，我國在以煤、合成氣為原料制乙二醇的道路上取得技術(shù)性的突破，已形成了世界領(lǐng)先水平的生產(chǎn)技術(shù)和裝備。然而，該技術(shù)路線在工業(yè)化生產(chǎn)中存在安全隱患和產(chǎn)品純度質(zhì)量不夠穩(wěn)定等問題，其核心原因是加氫反應(yīng)中氫氣濃度高和操作壓力大。

　　廈門大學(xué)謝素原、袁友珠團(tuán)隊和中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所姚元根、郭國聰團(tuán)隊等合作，將富勒烯C60作為“電子緩沖劑”用于改性銅—二氧化硅催化劑，研發(fā)了富勒烯改性銅催化劑，實現(xiàn)了富勒烯緩沖的銅催化草酸二甲酯在溫和壓力條件下的乙二醇合成。研究突破了常壓低氫氣濃度條件下反應(yīng)效率低的難題，有助于合成氣制乙二醇產(chǎn)業(yè)的綠色、安全發(fā)展，在煤化工和催化等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　　發(fā)現(xiàn)飛秒激光誘導(dǎo)復(fù)雜體系微納結(jié)構(gòu)新機(jī)制

　　北京工業(yè)大學(xué)教授王璞：

　　飛秒是10—15秒。飛秒激光是脈寬在1—1000飛秒的脈沖激光，具有超快、超強(qiáng)和超寬頻譜的特點，已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)制造等領(lǐng)域。當(dāng)將飛秒激光聚焦到材料內(nèi)部時，會產(chǎn)生各種高度非線性效應(yīng)，這種極端條件下光與物質(zhì)相互作用充滿未知和挑戰(zhàn)。

　　浙江大學(xué)邱建榮團(tuán)隊、之江實驗室譚德志團(tuán)隊、上海理工大學(xué)顧敏團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導(dǎo)復(fù)雜體系微納結(jié)構(gòu)形成的新機(jī)制。以含氯溴碘離子的氧化物玻璃體系為例，實現(xiàn)了玻璃中具有成分和帶隙可控發(fā)光可調(diào)的鈣鈦礦納米晶3D直接光刻，呈現(xiàn)紅橙黃綠藍(lán)等不同顏色的發(fā)光。形成的納米晶在紫外線輻照、有機(jī)溶液浸泡和250攝氏度高溫環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導(dǎo)玻璃內(nèi)微區(qū)液態(tài)納米分相和離子交換的飛秒激光與物質(zhì)相互作用的新機(jī)制，開拓了玻璃內(nèi)部寫入帶隙和發(fā)光大范圍連續(xù)可控的三維半導(dǎo)體納米晶結(jié)構(gòu)新技術(shù)，為新一代顯示及存儲技術(shù)開辟了新的途徑。

　　實驗證實超導(dǎo)態(tài)“分段費米面”

　　中國科學(xué)院大學(xué)教授張富春：

　　超導(dǎo)是物理學(xué)中一個經(jīng)久不衰的研究方向，在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中都具有重要價值?！胺侄钨M米面”是超導(dǎo)研究的問題之一。費米面決定了固體材料的電學(xué)、光學(xué)等多種物理性質(zhì)，對費米面的人工調(diào)控是材料物性調(diào)控最重要的途徑之一。超導(dǎo)體一般情況下沒有費米面。1965年科學(xué)家曾提出理論預(yù)言，可在超導(dǎo)能隙中產(chǎn)生出一種特殊的“分段費米面”。而超導(dǎo)體“分段費米面”在實驗上一直沒能實現(xiàn)。原因是，在普通超導(dǎo)體中，產(chǎn)生“分段費米面”所需的超導(dǎo)電流通常接近甚至大于超導(dǎo)臨界電流，所以超導(dǎo)電流在導(dǎo)致“分段費米面”形成之前已經(jīng)令超導(dǎo)體失超。

　　上海交通大學(xué)賈金峰、鄭浩團(tuán)隊與麻省理工學(xué)院傅亮團(tuán)隊合作，設(shè)計制備了拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)體系，實現(xiàn)并用掃描隧道譜儀觀察到了由庫柏對動量導(dǎo)致的“分段費米面”，成功驗證了50多年前的理論預(yù)言。該研究開辟了調(diào)控物態(tài)、構(gòu)筑新型拓?fù)涑瑢?dǎo)的新方法。

　　記者 趙永新