解讀2022年度中國科學十大進展

　   堅持“四個面向” 潛心基礎(chǔ)研究

　　解讀2022年度中國科學十大進展(科技自立自強)

　　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年度中國科學十大進展，具體包括：祝融號巡視雷達揭秘火星烏托邦平原淺表分層結(jié)構(gòu)；FAST精細刻畫活躍重復快速射電暴；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)飛秒激光誘導復雜體系微納結(jié)構(gòu)新機制；實驗證實超導態(tài)“分段費米面”。

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

　　祝融號巡視雷達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“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、張金海團隊利用火星車搭載的科學載荷探地雷達的科學探測數(shù)據(jù)，取得突破性進展。該探地雷達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精細刻畫活躍重復快速射電暴

　　清華大學教授馮驊：

　　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、李柯伽團隊利用500米口徑球面射電望遠鏡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，有效推進了FRB多波段研究。通過監(jiān)測活躍重復暴FRB20201124A，研究團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。針對活躍重復暴，組織國際合作，特別是美國大型望遠鏡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”，提出了重復快速射電暴偏振頻率演化的統(tǒng)一機制。

　　該研究精細刻畫了活躍、重復的快速射電暴，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

　　中科院化學研究所研究員張建玲：

　　氫能被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，電解水制氫被認為是一種清潔、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)成非常復雜，除了含有大約96.5%的水之外，還含有各種無機物、有機物、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)，一般要先將海水進行淡化，然后再進行電解制氫。深圳大學/四川大學謝和平團隊通過將分子擴散、界面相平衡等物理力學過程與電化學反應結(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)的力學驅(qū)動機制，實現(xiàn)了無額外能耗的電化學反應協(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)模式的零碳氫能發(fā)展路徑，應用價值巨大。

　　揭示新冠病毒突變特征與免疫逃逸機制

　　中科院微生物研究所研究員嚴景華：

　　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？能否預測下一個流行的新冠病毒？

　　曹云龍、謝曉亮團隊和王祥喜團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制與突變進化特征，揭示奧密克戎BA.1中和抗體逃逸機制，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)化應用方面大面積組件制備技術(shù)仍不成熟。

　　南京大學譚海仁團隊發(fā)現(xiàn)設(shè)計鈍化分子的極性，可以顯著增強缺陷鈍化效果，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26.4%，創(chuàng)造了鈣鈦礦電池新的效率紀錄，并首次超越了單結(jié)鈣鈦礦電池。在此基礎(chǔ)上，團隊開發(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、朱敏團隊發(fā)明的基于單質(zhì)碲和氮化鈦電極界面效應的新型開關(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)復雜組分導致成分偏析問題，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反應，可以對復雜系統(tǒng)進行全方位的精確研究。2003年，科學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，并被廣泛地應用于超冷化學和量子模擬研究中。相比于兩體，三體經(jīng)典系統(tǒng)極為復雜，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)。

　　中國科學技術(shù)大學潘建偉、趙博團隊與中科院化學研究所白春禮團隊合作，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中氫氣濃度高和操作壓力大。

　　廈門大學謝素原、袁友珠團隊和中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所姚元根、郭國聰團隊等合作，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)生深遠的影響。

　　發(fā)現(xiàn)飛秒激光誘導復雜體系微納結(jié)構(gòu)新機制

　　北京工業(yè)大學教授王璞：

　　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、超強和超寬頻譜的特點，已廣泛應用于科學研究、工業(yè)制造等領(lǐng)域。當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，這種極端條件下光與物質(zhì)相互作用充滿未知和挑戰(zhàn)。

　　浙江大學邱建榮團隊、之江實驗室譚德志團隊、上海理工大學顧敏團隊發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導復雜體系微納結(jié)構(gòu)形成的新機制。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)紅橙黃綠藍等不同顏色的發(fā)光。形成的納米晶在紫外線輻照、有機溶液浸泡和250攝氏度高溫環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。研究團隊發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導玻璃內(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。

　　實驗證實超導態(tài)“分段費米面”

　　中國科學院大學教授張富春：

　　超導是物理學中一個經(jīng)久不衰的研究方向，在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應用中都具有重要價值。“分段費米面”是超導研究的問題之一。費米面決定了固體材料的電學、光學等多種物理性質(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。超導體一般情況下沒有費米面。1965年科學家曾提出理論預言，可在超導能隙中產(chǎn)生出一種特殊的“分段費米面”。而超導體“分段費米面”在實驗上一直沒能實現(xiàn)。原因是，在普通超導體中，產(chǎn)生“分段費米面”所需的超導電流通常接近甚至大于超導臨界電流，所以超導電流在導致“分段費米面”形成之前已經(jīng)令超導體失超。

　　上海交通大學賈金峰、鄭浩團隊與麻省理工學院傅亮團隊合作，設(shè)計制備了拓撲絕緣體/超導體異質(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致的“分段費米面”，成功驗證了50多年前的理論預言。該研究開辟了調(diào)控物態(tài)、構(gòu)筑新型拓撲超導的新方法。

　　記者 趙永新