中國(guó)稀土2020年度十大科技新聞

2020年，中國(guó)稀土科技工作并沒有因疫情的嚴(yán)重影響而放慢創(chuàng)新的步伐，廣大稀土科技工作者以科技創(chuàng)新為指引，攻堅(jiān)克難、奮力拼搏，在基礎(chǔ)研究、資源利用、技術(shù)提升、拓展應(yīng)用、疫情防控等方面取得顯著成績(jī)。為進(jìn)一步激勵(lì)廣大稀土科技工作者勇攀高峰，再創(chuàng)佳績(jī)，中國(guó)稀土學(xué)會(huì)、包頭稀土研究院、“中國(guó)稀土”網(wǎng)站聯(lián)合梳理 2020年度稀土科技新聞，整理出“中國(guó)稀土 2020年度十大科技新聞”。

1.我國(guó)碳酸稀土沉淀生產(chǎn)首次實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

2020年，北方稀土“萬噸級(jí)輕稀土碳酸鹽連續(xù)化生產(chǎn)工藝研究及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目通過中國(guó)稀土行業(yè)協(xié)會(huì)專家評(píng)審并正式投產(chǎn)。該項(xiàng)目的投產(chǎn)標(biāo)志著我國(guó)首次在稀土行業(yè)真正實(shí)現(xiàn)了碳酸稀土沉淀生產(chǎn)過程的連續(xù)化和自動(dòng)化。

北方稀土研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了輕稀土碳酸鹽連續(xù)化沉淀、碳酸氫銨與氨水的混合沉淀劑和自動(dòng)化控制技術(shù)，并通過技術(shù)集成解決了單級(jí)、間歇式生產(chǎn)造成的用水量大、廢水產(chǎn)生量大、產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大、沉淀劑濃度較低、整個(gè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)化水平低等問題。研發(fā)團(tuán)隊(duì)從沉淀劑配置和凈化設(shè)備入手，規(guī)劃驗(yàn)證總體控制集成，并以此為依據(jù)，設(shè)計(jì)建成了原料配置凈化系統(tǒng)、恒壓供料系統(tǒng)和碳酸鑭等連續(xù)沉淀生產(chǎn)線。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排達(dá)80%，電耗降低29%，廢水量降低40%，年節(jié)約生產(chǎn)成本1億元以上。

2.我國(guó)科學(xué)家在量子存儲(chǔ)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊(duì)在量子存儲(chǔ)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、周宗權(quán)等人采用飛秒激光微加工技術(shù)制備出高保真度的可集成固態(tài)量子存儲(chǔ)器，并基于自主研制設(shè)備首次實(shí)現(xiàn)稀土離子的電子自旋及核自旋相干壽命的全面提升。

當(dāng)前固態(tài)量子存儲(chǔ)器研究面臨兩方面的挑戰(zhàn)，一方面，已有的固態(tài)量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)使用的存儲(chǔ)介質(zhì)大多是塊狀晶體，這種材料不能直接對(duì)接光纖網(wǎng)絡(luò)或集成光學(xué)芯片，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模擴(kuò)展性應(yīng)用。另一方面，稀土離子的電子自旋及核自旋與晶體內(nèi)聲子相互作用，導(dǎo)致量子存儲(chǔ)器的相干壽命嚴(yán)重受限。為了推進(jìn)量子存儲(chǔ)器的實(shí)用化，研究組從材料加工與測(cè)試裝備著手對(duì)以上問題展開系統(tǒng)性研究。

為解決擴(kuò)展性問題，研究組采用飛秒激光微加工技術(shù)首次在摻銪硅酸釔晶體中刻蝕出光波導(dǎo)，研制出可集成的固態(tài)量子存儲(chǔ)器。波導(dǎo)區(qū)域距晶體表面150微米，波導(dǎo)寬度為20微米，可以與其他微納電子學(xué)及微納光學(xué)器件進(jìn)行集成加工。由于波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的光場(chǎng)功率密度高，實(shí)驗(yàn)所需的控制激光功率相比塊狀晶體所需功率下降了約30倍。實(shí)驗(yàn)中演示了原子頻率梳（AFC）以及低噪聲回波恢復(fù)（ROSE）兩種光量子存儲(chǔ)方案。兩種方案對(duì)應(yīng)的保真度分別超過99%和97%，表明這種可集成量子存儲(chǔ)器具有很高的可靠性。

針對(duì)相干壽命受限的問題，研究組在解決了系列技術(shù)難題后，成功搭建出國(guó)際首個(gè)深低溫脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀，并嚴(yán)格標(biāo)定其最低工作溫度為0.1K。在0.1K溫度下，測(cè)得摻釹硅酸釔晶體的自旋回波信號(hào)的信噪比相比4K溫度下提升了20倍，電子自旋的布居數(shù)壽命和相干壽命分別達(dá)到15秒和2毫秒，同時(shí)核自旋的布居數(shù)壽命和相干壽命則分別達(dá)到10分鐘和40毫秒，這四項(xiàng)壽命指標(biāo)相比4K溫度下均實(shí)現(xiàn)超過一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。

(a)深低溫電子與核自旋雙共振譜儀的樣品局部圖(b)自旋回波信號(hào)強(qiáng)度與工作溫度的關(guān)系

3.新一代稀土納米斷熱材料實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用新突破

包頭稀土研究院天津分院聯(lián)合包頭稀土研究院專家通過對(duì)三元稀土共摻雜硼化物材料的制備研究與性能篩選，成功自主研發(fā)出一款新型稀土納米復(fù)合斷熱材料。該材料以稀土硼化物為基礎(chǔ)，一方面，由于硼原子具有極強(qiáng)的電負(fù)性，其可以與稀土元素形成較強(qiáng)的作用力，使得最終形成的稀土納米斷熱材料具有優(yōu)異的耐酸堿性；另一方面，在形成的稀土納米硼化物材料中，稀土元素自身的外層電子提供了大量自由電子，當(dāng)入射光的光子激發(fā)時(shí)，自由電子與入射光子發(fā)生共振，從而在宏觀上表現(xiàn)為吸熱能力。此外，通過對(duì)稀土元素種類以及摻雜量的調(diào)控，可以進(jìn)一步控制入射光子發(fā)生共振的波長(zhǎng)范圍。利用這種方法，使該材料成功解決了現(xiàn)有材料環(huán)境穩(wěn)定性不足與無法對(duì)紅外線進(jìn)行光譜吸收的兩難問題。

天津包鋼稀土研究院與成都易涂捷威科技有限公司成立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，對(duì)斷熱材料進(jìn)行深層次產(chǎn)品開發(fā)及中試驗(yàn)證。稀土納米斷熱涂層產(chǎn)品在保證超高透過率的前提下，最終實(shí)現(xiàn)95%紅/紫外線斷熱效果，將其直接涂在玻璃表面，能夠在3小時(shí)內(nèi)快速降溫。該產(chǎn)品可廣泛運(yùn)用于節(jié)能環(huán)保型汽車和節(jié)能型建筑玻璃。

截至2020年，已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利三項(xiàng)，授權(quán)外觀設(shè)計(jì)專利一項(xiàng)，申請(qǐng)商標(biāo)兩項(xiàng)。

4.國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)世界上首個(gè)單分子駐極體

中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系季威教授、王聰博士與南京大學(xué)宋鳳麒教授、廈門大學(xué)謝素原教授、倫斯勒理工學(xué)院史夙飛教授、耶魯大學(xué)Mark A.Reed教授等研究團(tuán)隊(duì)合作，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)了世界上首個(gè)單分子駐極體（electret）——Gd@C82，在駐極體被人類合成100年后將其物理尺寸壓縮到極致的單分子水平（～1nm），這是目前人類所知最小的駐極體。2020年，合作團(tuán)隊(duì)首次在Gd@C82單分子器件中發(fā)現(xiàn)了單分子駐極體特征，并展示了其信息存儲(chǔ)能力，將駐極體的尺寸極限縮小到了1nm尺度。他們?cè)?.6 K（約-271.6 ℃）的低溫下，利用電致遷移納米間隙法，在一條約50 nm寬的金屬導(dǎo)線上制造出了一道1nm左右的間隙，并成功構(gòu)造了幾個(gè)Gd@C82單分子器件（如圖a所示），隨后固定一個(gè)非常接近于零（2mV）的源-漏電壓值，通過改變柵極電壓Vg，記錄不同柵極電壓值時(shí)的源流電流Ids，得到兩套譜線，對(duì)應(yīng)兩種器件狀態(tài)（state 1和state 2），如圖b所示，這兩種狀態(tài)可以通過改變柵壓相互切換，在同一個(gè)單分子器件中，表現(xiàn)出了兩套截然不同的輸運(yùn)特性。

該工作是首次在單分子水平上證明了單分子駐極體的存在，并實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)操作。該單分子電偶極矩的可控翻轉(zhuǎn)，實(shí)際是內(nèi)嵌原子的位置移動(dòng)，即該器件是一種以單分子電偶極矩翻轉(zhuǎn)模式運(yùn)行的單原子存儲(chǔ)器。兩個(gè)不同的原子位置可以用來編碼信息，為未來存儲(chǔ)器件小型化提供一種方案，也展現(xiàn)出一個(gè)新興的研究方向。

5.國(guó)內(nèi)成功研制出快速簡(jiǎn)易篩查新型冠狀病毒（2019-nCoV）lgM抗體檢測(cè)試劑

為應(yīng)對(duì)新型冠狀病毒肺炎疫情，生物應(yīng)急與臨床POCT（北京市）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”召集組織聯(lián)合攻關(guān)工作，合作攻關(guān)團(tuán)隊(duì)單位還包括上海科炎光電技術(shù)有限公司、解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學(xué)中心（原解放軍302醫(yī)院）、沈陽第六人民醫(yī)院等?；诠リP(guān)團(tuán)隊(duì)在臨床免疫診斷領(lǐng)域的雄厚科研基礎(chǔ)和生物應(yīng)急領(lǐng)域的豐富疫情響應(yīng)經(jīng)驗(yàn)，在前期研發(fā)成功新冠狀病毒核酸檢測(cè)試劑（熒光－PCR法）之后，又成功克隆了病毒外膜蛋白。并將該病毒外膜蛋白用做免疫診斷的抗原，研發(fā)出了10分鐘快速出診斷結(jié)果的膠體金免疫檢測(cè)試劑和上轉(zhuǎn)發(fā)光免疫檢測(cè)試劑。稀土材料在該試劑中作為核心材料發(fā)揮了關(guān)鍵作用，也為防控和抗擊新冠疫情作出了貢獻(xiàn)。

此系列免疫試劑能快速、有效、定性檢測(cè)出患者樣本中的新型冠狀病毒（2019-nCoV）的抗新型冠狀病毒IgM抗體，它是在該病毒感染過程中人體免疫系統(tǒng)首先出現(xiàn)的抗體，在感染后較早出現(xiàn)，在急性期或恢復(fù)早期達(dá)到高峰。對(duì)于大面積爆發(fā)的疫情狀況，可用于臨床醫(yī)院快速篩查，同時(shí)再結(jié)合其他臨床指征進(jìn)行快速診斷。

6.我國(guó)首臺(tái)大功率船舶用稀土永磁發(fā)電機(jī)研制成功

2020年，搭載中車株洲電機(jī)公司船舶直流組網(wǎng)2兆瓦永磁發(fā)電機(jī)的國(guó)產(chǎn)首艘油電混合大型濱海觀光船“大灣區(qū)一號(hào)”成功交付。

此次在稀土永磁發(fā)電機(jī)的整體設(shè)計(jì)上采用了全封閉結(jié)構(gòu)電機(jī)，開發(fā)了新型轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)和鈦合金空水冷卻器，解決了大功率永磁發(fā)電機(jī)散熱難題，其效率大于97%。與傳統(tǒng)勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相比，體積減小30%，重量減輕35%，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效、高可靠、維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)電機(jī)整體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

中車直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)方案具有從芯片、裝備到系統(tǒng)的全生態(tài)鏈自主可控，采用稀土永磁驅(qū)動(dòng)，更高效節(jié)能，具有綠色排放、舒適靜音等優(yōu)點(diǎn)。

中車株洲電機(jī)研制出的我國(guó)首臺(tái)大功率船舶永磁發(fā)電機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域技術(shù)研究空白，可廣泛應(yīng)用于內(nèi)河客貨船、工程船、海上豪華郵輪、公務(wù)船、海洋工程船等。

7.輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模量稀土生物特種纖維材料取得創(chuàng)新成果

高性能生物纖維是一種具有戰(zhàn)略意義的特種材料，并以性能卓越、功能強(qiáng)大等特性有望應(yīng)用于國(guó)防裝備和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而發(fā)展輕質(zhì)高機(jī)械性能且易加工的特種生物纖維仍是一種巨大挑戰(zhàn)。就此而言，稀土金屬元素4f5d特殊電子層結(jié)構(gòu)與生物分子的特異性結(jié)合能力，為高性能特種纖維的增材制造和創(chuàng)新提供重要技術(shù)支撐。清華大學(xué)化學(xué)系劉凱副教授、張洪杰院士團(tuán)隊(duì)借助合成生物學(xué)技術(shù)，并充分發(fā)揮稀土在制備高技術(shù)材料領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通過稀土離子進(jìn)行力學(xué)功能蛋白的體外翻譯后修飾，強(qiáng)化了稀土金屬離子和氨基酸側(cè)鏈鄰苯二酚之間的絡(luò)合作用，成功制備出具有高模量和高度可塑性的稀土蛋白生物纖維。該類纖維中的楊氏模量達(dá)到10GPa，可與天然蜘蛛絲相當(dāng)。另一方面，該類稀土特種纖維表現(xiàn)出優(yōu)越的可拉伸性，高度可塑性以及強(qiáng)熒光性能。因此該工作為工程化制備輕質(zhì)高強(qiáng)高模特種生物纖維提供了全新的策略，也為探索及發(fā)展新一代高技術(shù)裝備材料提供了新的研究思路，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展具有高機(jī)械強(qiáng)度的稀土特種生物纖維具有重大指導(dǎo)意義。

（a）生物法制備稀土力學(xué)功能彈性蛋白；（b，c）稀土生物特種纖維結(jié)構(gòu)示意圖；（d）稀土生物特種纖維的楊氏模量；（e）稀土生物特種纖維強(qiáng)熒光特性；（f）稀土生物特種纖維的高度可塑性

8.稀土鈰(III)配合物在藍(lán)光OLED研究中取得突破

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院黃春輝課題組合成了兩種具有納秒級(jí)短激發(fā)態(tài)壽命的d-f躍遷稀土鈰(III)配合物Ce-1和Ce-2（圖1），紫外激發(fā)下分別發(fā)射深藍(lán)色和天藍(lán)色光，光致發(fā)光量子產(chǎn)率均超過90%。經(jīng)過優(yōu)化，兩種材料在OLED中均實(shí)現(xiàn)了高效藍(lán)色發(fā)光，首次證明了鈰(III)配合物在OLED中具有100%的激子利用率。此外，相較于發(fā)光顏色相近的傳統(tǒng)的磷光銥(III)配合物器件，基于鈰(III)配合物器件的工作穩(wěn)定性提高近70倍。

研究人員認(rèn)為，器件中的配合物可以通過具有單電子的鈰(III)離子直接俘獲電子和空穴，形成二重態(tài)激子并輻射發(fā)光，從而繞過傳統(tǒng)閉殼層發(fā)光材料中自旋統(tǒng)計(jì)限制，實(shí)現(xiàn)高激子利用率的目標(biāo)，而自旋和宇稱允許的d-f躍遷所伴隨的短激發(fā)態(tài)壽命則是器件穩(wěn)定性提高的根源。

圖1.配合物Ce-1、Ce-2的分子結(jié)構(gòu)和發(fā)光顏色

考慮到鈰(III)配合物還具有可調(diào)的發(fā)射光譜和較低的原料成本，此類發(fā)光材料不僅有望解決實(shí)際應(yīng)用中高效藍(lán)光OLED存在的難題，同時(shí)還有潛力成為新一代發(fā)光材料應(yīng)用于OLED全色顯示和照明。這項(xiàng)工作對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)稀土資源高價(jià)值利用，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的OLED發(fā)光材料具有重大意義。

9.高強(qiáng)度、焊接性優(yōu)異的新型鎂稀土合金軋制板材面世

伴隨著國(guó)防軍工對(duì)輕量化持續(xù)增長(zhǎng)的需求，高性能的陸用無人裝甲車、空投輕型裝甲車等新型軍工兵器對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)材料及裝甲的需求越來越急迫，鎂稀土合金以其低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、優(yōu)異的耐高溫以及可焊接性，得到越來越廣泛的研究與應(yīng)用。

中鋁輕研合金科技有限公司成功開發(fā)出高強(qiáng)度、焊接性優(yōu)異的大寬幅鎂稀土合金板材并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，新型鎂稀土合金軋制板材抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)365MPa，屈服強(qiáng)度310MPa，延伸率大于6%。

中鋁輕研合金還研制出強(qiáng)度更高的鎂稀土軋制板材，該合金通過弱化部分塑性進(jìn)一步優(yōu)化強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度大于400MPa、屈服強(qiáng)度大于300MPa、延伸率大于4%）。

10.摻雜稀土元素的近紅外激發(fā)電壓納米探針用于神經(jīng)元電信號(hào)在體成像

中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜久林研究組與中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林、步文博研究組合作研究開發(fā)了一種可用近紅外光激發(fā)的電壓熒光納米探針，成功監(jiān)測(cè)了斑馬魚和小鼠腦中神經(jīng)元膜電位的動(dòng)態(tài)變化。

圖注：電壓納米探針的設(shè)計(jì)及其感應(yīng)機(jī)理。首先，UCNPs固定在神經(jīng)元細(xì)胞膜上。其次，將六硝基二苯胺（DPA）嵌入細(xì)胞膜磷脂雙分子層。在神經(jīng)元靜息狀態(tài)下，帶負(fù)電荷的DPA在細(xì)胞膜外側(cè)富集，UCNP與DPA之間形成發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移體系（FRET），UCNPs發(fā)光被DAP吸收，檢測(cè)到的光信號(hào)弱。當(dāng)神經(jīng)元去極化后，DPA在電場(chǎng)作用下在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)富集，F(xiàn)RET效應(yīng)減弱，從而恢復(fù)UCNPs的發(fā)光。

稀土元素?fù)诫s的上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs）是一類近紅外光激發(fā)，紫外、可見光多重發(fā)射的反斯托克斯發(fā)光納米材料。由于其深組織穿透度、低背景熒光、多重發(fā)射的特性，已在生物成像與活體診療的應(yīng)用中獲得廣泛關(guān)注。在該工作中，研究人員設(shè)計(jì)和制備了一種基于UCNPs的電壓敏感探針。首先將UCNPs固定在細(xì)胞膜上，然后將六硝基二苯胺（DPA）嵌入細(xì)胞膜磷脂雙分子層。在細(xì)胞靜息狀態(tài)下，帶負(fù)電荷的DPA在細(xì)胞膜外側(cè)富集，UCNP與DPA之間距離在10 nm以內(nèi)，因此形成發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移體系（FRET），UCNPs發(fā)光被DAP吸收，檢測(cè)到的光信號(hào)較弱。當(dāng)細(xì)胞去極化后，DPA在電場(chǎng)作用下在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)富集，UCNP與DPA之間距離超過10 nm，F(xiàn)RET效應(yīng)消失，從而恢復(fù)UCNPs的發(fā)光。

為驗(yàn)證該電壓納米探針在神經(jīng)元電活動(dòng)檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)，研究人員應(yīng)用該納米探針分別檢測(cè)了斑馬魚前腦神經(jīng)元的嗅覺反應(yīng)和小鼠新皮層神經(jīng)元膜電位振蕩隨麻醉深度的變化。神經(jīng)元的電活動(dòng)具有豐富的動(dòng)態(tài)性，而以往開發(fā)的基于熒光蛋白電壓探針的信噪比較低，大都需要平均多次才能得到清晰的感覺反應(yīng)。更嚴(yán)重的是，此類探針極易熒光淬滅，因此可記錄時(shí)間較短，嚴(yán)重限制了其實(shí)用性。應(yīng)用新開發(fā)的電壓納米探針，研究人員研究了斑馬魚前腦神經(jīng)元對(duì)食物刺激的反應(yīng)。在近紅外光激發(fā)下，單次施加該食物刺激即可顯著增強(qiáng)神經(jīng)元的熒光信號(hào)，并可在連續(xù)數(shù)次刺激下穩(wěn)定記錄。進(jìn)一步地，得益于UCNPs較低程度的淬滅，活體記錄時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)30分鐘，遠(yuǎn)高于目前的蛋白分子探針。

該工作為設(shè)計(jì)可用近紅外光激發(fā)的電壓敏感探針提供了全新思路，為探究深層活體組織中神經(jīng)活動(dòng)開辟了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的新方法。