2022年度中國科學(xué)十大進(jìn)展揭曉！

Callejon

     2023年3月17日，科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心(科學(xué)技術(shù)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，分別為：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)新機制；實驗證實超導(dǎo)態(tài)“分段費米面”。

　　2022年度中國科學(xué)十大進(jìn)展簡介

　　1. 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)

　　詳細(xì)的火星地下結(jié)構(gòu)和物性信息是研究火星地質(zhì)及其宜居性演化的關(guān)鍵，是火星探測的重要內(nèi)容之一。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所陳凌、張金海團隊等對祝融號火星車行進(jìn)約4個月、探測長達(dá)1171米的低頻雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析和精細(xì)成像，獲得了烏托邦平原南部淺表80米之上的高精度結(jié)構(gòu)分層圖像和地層物性信息，研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域數(shù)米厚的火壤層之下存在兩套向上變細(xì)的沉積層序：第一套層序位于地下約10～30米，其形成可能與距今約16億年以來短時洪水、長期風(fēng)化或重復(fù)隕石撞擊作用有關(guān)；第二套層序位于地下約30～80米，可能是距今35～32億年前大型洪水事件沉積�，F(xiàn)今該區(qū)域80米之上未發(fā)現(xiàn)液態(tài)水存在的證據(jù)，但不排除存在鹽冰的可能性。該研究揭示了現(xiàn)今火星淺表精細(xì)結(jié)構(gòu)和物性特征，提供了火星長期存在水活動的觀測證據(jù)，為深入認(rèn)識火星地質(zhì)演化與環(huán)境、氣候變遷提供了重要依據(jù)。

　　祝融號火星車在烏托邦平原進(jìn)行原位雷達(dá)探測，首次揭示了烏托邦平原淺表精細(xì)分層結(jié)構(gòu)

　　(圖片設(shè)計：中科院地質(zhì)與地球所研究團隊；圖片繪制：武漢大學(xué)鄧俊)

　　祝融號火星車沿由北向南行進(jìn)路徑采集的低頻雷達(dá)數(shù)據(jù)成像結(jié)果及解譯

　　2. FAST精細(xì)刻畫活躍重復(fù)快速射電暴

　　快速射電暴(FRB)是宇宙無線電波段最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，起源未知，是天文領(lǐng)域重大熱點前沿之一。中國科學(xué)院國家天文臺李菂團隊聯(lián)合北京大學(xué)、之江實驗室和中國科學(xué)院上海天文臺團隊利用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，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FRB20190520B、FRB20201124A為代表的活躍重復(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，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)一機制。FAST精細(xì)刻畫活躍重復(fù)快速射電暴，構(gòu)建統(tǒng)一圖景，為最終揭示快速射電暴起源奠定了觀測基礎(chǔ)。

　　“中國天眼”發(fā)現(xiàn)重復(fù)快速射電暴

　　3.全新原理實現(xiàn)海水直接電解制氫

　　海水復(fù)雜組分引起的副反應(yīng)和腐蝕性等問題一直是海水直接電解制氫難以破解的重大難題。深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平團隊通過將分子擴散、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。自主研制的386 L/h H2原理樣機在真實海水中穩(wěn)定制氫超過3200小時，法拉第效率近乎100%，電解能耗約5.0 kWh/Nm3 H2，隔絕海水離子的同時實現(xiàn)了無淡化過程、無副反應(yīng)、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術(shù)突破，為解決該領(lǐng)域長期困擾科技界和產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)難題奠定了基礎(chǔ)。

　　原理與技術(shù)樣機圖

　　4.揭示新冠病毒突變特征與免疫逃逸機制

　　新冠病毒奧密克戎突變株及其變體持續(xù)涌現(xiàn)，及時地解析新冠突變株如何逃逸疫苗接種所建立的免疫屏障和病毒感染所產(chǎn)生的人體免疫力對于未來疫苗設(shè)計與疫情防控至關(guān)重要。北京大學(xué)、北京昌平實驗室曹云龍、謝曉亮團隊聯(lián)合中國科學(xué)院生物物理研究所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(jìn)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(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。相關(guān)研究為廣譜新冠疫苗和抗體藥物研發(fā)提供了理論依據(jù)和設(shè)計指導(dǎo)，為全球新冠疫情防控提供了重要參考。

　　介導(dǎo)免疫逃逸的新冠病毒受體結(jié)合域突變位點的預(yù)測

　　5.實現(xiàn)高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池和組件

　　鈣鈦礦疊層太陽能電池具有低成本溶液處理的優(yōu)勢，在薄膜太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用中顯示出重要前景。但全鈣鈦礦疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率仍低于單結(jié)鈣鈦礦電池，其中窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面缺陷密度高，是制約提升疊層電池效率的關(guān)鍵瓶頸。南京大學(xué)譚海仁團隊通過設(shè)計鈍化分子的極性，提升其在窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面缺陷位點上的吸附強度，顯著增強缺陷鈍化，大幅提升全鈣鈦礦疊層電池的效率。經(jīng)國際權(quán)威檢測機構(gòu)日本電器安全環(huán)境研究所(JET)獨立測試，疊層電池效率達(dá)26.4%，創(chuàng)造了鈣鈦礦電池新的紀(jì)錄并首次超越了單結(jié)鈣鈦礦電池，與市場主流的晶硅電池最高效率相當(dāng)。該團隊開發(fā)出大面積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，顯著地提升了組件的光伏性能和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了國際認(rèn)證效率21.7%的疊層組件(面積20 cm2)。

　　創(chuàng)世界紀(jì)錄效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池和組件

　　6.新原理開關(guān)器件為高性能海量存儲提供新方案

　　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。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所宋志棠、朱敏團隊發(fā)明了一種基于單質(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，“開態(tài)”碲處于熔融狀態(tài)是類金屬，和氮化鈦電極形成歐姆接觸，提供強大的電流驅(qū)動能力，“關(guān)態(tài)”半導(dǎo)體單質(zhì)碲和氮化鈦電極形成肖特基勢壘，徹底夾斷電流。該晶—液態(tài)轉(zhuǎn)變的新型開關(guān)器件，組分簡單，可克服雙向閾值開關(guān)(OTS)復(fù)雜組分導(dǎo)致成分偏析問題；工藝與CMOS兼容且可極度微縮，易實現(xiàn)海量三維集成；開關(guān)綜合性能優(yōu)異，驅(qū)動電流達(dá)到11 MA/cm2，疲勞壽命>108次，開關(guān)速度~15ns，尤其碲原子不丟失情況下開關(guān)壽命可大幅提升。該研究為發(fā)展海量存儲和近存計算提供了新的技術(shù)方案。

　　新原理開關(guān)器件示意圖

　　7.實現(xiàn)超冷三原子分子的量子相干合成

　　利用高度可控的超冷分子來模擬復(fù)雜的難于計算的化學(xué)反應(yīng)，可以對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行精確的全方位的研究。自從2003年美國科羅拉多大學(xué)Deborah Jin研究組從超冷原子氣中合成了鉀雙原子分子以來，多種超冷雙原子分子先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。三原子分子的能級結(jié)構(gòu)理論上難以計算，實驗操控也極其困難，因此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、趙博團隊與中國科學(xué)院化學(xué)研究所白春禮團隊合作，在鈉鉀基態(tài)分子和鉀原子混合氣中，在分子-原子Feshbach共振附近利用射頻合成技術(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。

　　從超冷雙原子分子和原子混合氣中利用射頻場合成三原子分子的示意圖

　　8.溫和壓力條件下實現(xiàn)乙二醇合成

　　目前乙二醇的全球年需求量達(dá)數(shù)千萬噸級，主要來源于石油化工。為降低乙二醇的對外依存度，以中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所為代表的科研機構(gòu)與企業(yè)合作，在2009年發(fā)展了從煤或合成氣經(jīng)過酯加氫轉(zhuǎn)化為乙二醇的萬噸級非石油路線全套技術(shù)。但在該技術(shù)路線中，存在安全隱患和乙二醇產(chǎn)品的純度質(zhì)量不夠穩(wěn)定等問題。廈門大學(xué)謝素原團隊與袁友珠團隊，聯(lián)合中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所和廈門福納新材料科技有限公司的研究人員將富勒烯C60作為“電子緩沖劑”用于改性銅—二氧化硅催化劑，研發(fā)了以C60電子緩沖來穩(wěn)定亞銅的富勒烯—銅—二氧化硅催化劑，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數(shù)千克規(guī)模的乙二醇合成，有望降低對石油技術(shù)路線的依賴。

　　富勒烯改性銅催化煤/合成氣常壓制乙二醇技術(shù)

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

　　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)邱建榮團隊及其合作者們發(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、有機溶液浸泡和250℃高溫環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。并進(jìn)一步演示了這種3D微納結(jié)構(gòu)在超大容量長壽命信息存儲、高穩(wěn)定的最小像素尺寸微米級的Micro-LED列陣，實現(xiàn)了1080p級別動態(tài)立體彩色全息顯示。該成果揭示了飛秒激光誘導(dǎo)空間選擇性介觀尺度分相和離子交換的規(guī)律，開拓了飛秒激光三維極端制造新技術(shù)原理。

　　飛秒激光誘導(dǎo)帶隙可控結(jié)構(gòu)示意圖以及三維圖案化的實現(xiàn)

　　10.實驗證實超導(dǎo)態(tài)“分段費米面”

　　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)控的最重要途徑。超導(dǎo)體因為在費米能級處有能隙，沒有費米面。1965年P(guān)eter Fulde理論預(yù)言，讓超導(dǎo)體中庫珀對動起來，增加其動量，會導(dǎo)致庫珀對破裂，能在超導(dǎo)能隙中產(chǎn)生出一種特殊的“分段費米面”。上海交通大學(xué)賈金鋒、鄭浩團隊與麻省理工學(xué)院傅亮團隊合作，設(shè)計制備了拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體(Bi2Te3/NbSe2)異質(zhì)結(jié)體系，借助超導(dǎo)近鄰效應(yīng)在Bi2Te3中誘導(dǎo)出超導(dǎo)，并用水平磁場在體系中產(chǎn)生較小的庫伯對動量，得益于Bi2Te3拓?fù)浔砻鎽B(tài)的費米速度極高的獨特優(yōu)勢，在拓?fù)浔砻鎽B(tài)中庫伯對已經(jīng)破裂，最終實現(xiàn)并觀察到了這種特殊的“分段費米面”，成功驗證了58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。

　　超導(dǎo)“分段費米面”

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