2022年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展

文/王春曉

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(guó)科學(xué)十大進(jìn)展，并召開了專家解讀會(huì)，邀請(qǐng)各領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)解讀。

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

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所陳凌、張金海團(tuán)隊(duì)等對(duì)祝融號(hào)火星車行進(jìn)約4個(gè)月、探測(cè)長(zhǎng)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(shí)洪水、長(zhǎng)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35億—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。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)蘇彥研究員表示，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(zhǎng)期存在水活動(dòng)的觀測(cè)證據(jù)，為深入認(rèn)識(shí)火星地質(zhì)演化與環(huán)境、氣候變遷提供了重要依據(jù)。

FAST精細(xì)刻畫活躍重復(fù)快速射電暴

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)李菂團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)、之江實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)，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(cè)活躍重復(fù)暴FRB20201124A，獲得了迄今為止最大的FRB偏振樣本，探測(cè)到FRB局域環(huán)境的磁場(chǎng)變化及其頻率依賴的偏振振蕩現(xiàn)象。針對(duì)FRB20190520B、FRB20201124A為代表的活躍重復(fù)暴，組織國(guó)際合作特別是美國(guó)大型望遠(yuǎn)鏡GBT協(xié)同F(xiàn)AST觀測(cè)，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。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(cè)基礎(chǔ)。

清華大學(xué)馮驊教授表示，重復(fù)快速射電暴偏振頻率演化的統(tǒng)一機(jī)制是非常重要的，該成果獲得了國(guó)內(nèi)外專家的一致認(rèn)可和高度肯定，引導(dǎo)很多理論學(xué)家去重新思考快速射電暴背后的物理機(jī)制和起源。

全新原理實(shí)現(xiàn)海水直接電解制氫

深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平團(tuán)隊(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)制，實(shí)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(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)穩(wěn)定海水直接電解制氫。自主研制的386L/h H2原理樣機(jī)在真實(shí)海水中穩(wěn)定制氫超過3200小時(shí)，法拉第效率近乎100%，電解能耗約5.0kWh/Nm3H2，隔絕海水離子的同時(shí)實(shí)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(zhǎng)期困擾科技界和產(chǎn)業(yè)界的技術(shù)難題奠定了基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所張建玲研究員表示，海水原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)形成了從獨(dú)創(chuàng)性原理、顛覆性技術(shù)、國(guó)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，具有不可估量的應(yīng)用價(jià)值。

揭示新冠病毒突變特征與免疫逃逸機(jī)制

北京大學(xué)、北京昌平實(shí)驗(yàn)室曹云龍、謝曉亮團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王祥喜團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)群體免疫以阻斷新冠病毒傳播；基于自主研發(fā)的高通量突變掃描技術(shù)，成功預(yù)測(cè)了新冠病毒受體結(jié)合域免疫逃逸突變位點(diǎn)，并前瞻性篩選出廣譜新冠病毒中和抗體。

中國(guó)科學(xué)院微生物研究所嚴(yán)景華研究員表示，該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(jì)指導(dǎo)，為全球新冠疫情防控提供了重要參考，在國(guó)際上引起了巨大反響，對(duì)于該領(lǐng)域的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。

實(shí)現(xiàn)高效率的全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池和組件

南京大學(xué)譚海仁團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)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(diǎn)上的吸附強(qiáng)度，顯著增強(qiáng)缺陷鈍化，大幅提升全鈣鈦礦疊層電池的效率。經(jīng)國(guó)際權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)日本電器安全環(huán)境研究所（JET）獨(dú)立測(cè)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(chǎng)主流的晶硅電池最高效率相當(dāng)。該團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了國(guó)際認(rèn)證效率21.7%的疊層組件（面積20cm2）。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所胡勁松研究員表示，該工作在鈣鈦礦領(lǐng)域是一個(gè)非常重要的進(jìn)展。他十分期待中國(guó)科學(xué)家未來能在這個(gè)領(lǐng)域獲得更大進(jìn)展。

新原理開關(guān)器件為高性能海量存儲(chǔ)提供新方案

祝融號(hào)火星車在烏托邦平原進(jìn)行原位雷達(dá)探測(cè)，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(jì)：中科院地質(zhì)與地球所研究團(tuán)隊(duì)；圖片繪制：武漢大學(xué)鄧?。?/p>

中國(guó)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(tuán)隊(duì)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，“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(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)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(shì)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)海量三維集成；開關(guān)綜合性能優(yōu)異，驅(qū)動(dòng)電流密度達(dá)到11mA/cm2，疲勞壽命＞108次，開關(guān)速度～15ns，尤其在碲原子不丟失的情況下開關(guān)壽命可大幅提升。

北京大學(xué)張興教授表示，高密度與海量存儲(chǔ)是大數(shù)據(jù)時(shí)代信息技術(shù)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸，該研究為今后發(fā)展海量存儲(chǔ)和近存計(jì)算提供了全新的技術(shù)方案，具有重要意義。

實(shí)現(xiàn)超冷三原子分子的量子相干合成

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所白春禮團(tuán)隊(duì)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。從2003年美國(guó)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(shí)驗(yàn)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(jí)結(jié)構(gòu)理論上難以計(jì)算，實(shí)驗(yàn)操控也極其困難，因此制備超冷三原子分子一直是實(shí)驗(yàn)上的巨大挑戰(zhàn)。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(chǎng)合成三原子分子的示意圖（“實(shí)現(xiàn)超冷三原子分子的量子相干合成”研究團(tuán)隊(duì)供圖）

清華大學(xué)尤力教授表示，該研究團(tuán)隊(duì)克服了一系列困難，取得了一系列進(jìn)展，開創(chuàng)了人類研究超冷分子的新時(shí)代。同時(shí)，他認(rèn)為，科學(xué)是相通的，每一次科學(xué)的巨大進(jìn)展，都會(huì)給人類帶來寶貴的財(cái)富。

溫和壓力條件下實(shí)現(xiàn)乙二醇合成

廈門大學(xué)謝素原團(tuán)隊(duì)與袁友珠團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)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(shí)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(duì)石油技術(shù)路線的依賴。

天津大學(xué)鞏金龍教授表示，該催化劑的成功創(chuàng)制和相關(guān)工藝的創(chuàng)新突破了常壓、低氫氣濃度條件下反應(yīng)速率低的科學(xué)難題，不僅打通了傳統(tǒng)合成氣到乙二醇制備路線中常壓加氫催化技術(shù)的卡點(diǎn)，也助力整個(gè)工藝變得更加綠色、安全，拓展了合成氣轉(zhuǎn)換和選擇性氧化、加氫、脫氫，甚至二氧化碳電還原等一系列相關(guān)研究的思路，未來在煤化工、催化乃至整個(gè)能源化學(xué)領(lǐng)域都會(huì)產(chǎn)生更加積極和深遠(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

浙江大學(xué)邱建榮團(tuán)隊(duì)、之江實(shí)驗(yàn)室譚德志團(tuán)隊(duì)和上海理工大學(xué)顧敏團(tuán)隊(duì)，合作發(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(shí)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℃高溫環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性；進(jìn)一步演示了這種3D微納結(jié)構(gòu)在超大容量長(zhǎng)壽命信息存儲(chǔ)、高穩(wěn)定的最小像素尺寸微米級(jí)的Micro-LED列陣，實(shí)現(xiàn)了1080P級(jí)別動(dòng)態(tài)立體彩色全息顯示。

北京工業(yè)大學(xué)王璞教授表示，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，為很多應(yīng)用帶來新的可能性，隨著該技術(shù)進(jìn)一步的突破和發(fā)展，在這個(gè)領(lǐng)域會(huì)有更多的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)超導(dǎo)態(tài)“分段費(fèi)米面”

上海交通大學(xué)賈金鋒、鄭浩團(tuán)隊(duì)與麻省理工學(xué)院傅亮團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)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(chǎng)在體系中產(chǎn)生較小的庫(kù)伯對(duì)動(dòng)量，得益于Bi2Te3拓?fù)浔砻鎽B(tài)的費(fèi)米速度極高的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在拓?fù)浔砻鎽B(tài)中庫(kù)伯對(duì)已經(jīng)破裂，最終實(shí)現(xiàn)并觀察到了這種特殊的“分段費(fèi)米面”，成功驗(yàn)證了五十八年前的理論預(yù)言。

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)張富春研究員表示，該研究是一個(gè)非常有難度、非常有意義的工作，開辟了調(diào)控物態(tài)、構(gòu)筑新型拓?fù)涑瑢?dǎo)的新方法，得到了同行的高度評(píng)價(jià)。

“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”遴選活動(dòng)由科學(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）牽頭組織，至今已成功舉辦18屆，旨在宣傳我國(guó)重大基礎(chǔ)研究科學(xué)進(jìn)展，激勵(lì)廣大科技工作者的科學(xué)熱情和奉獻(xiàn)精神，開展基礎(chǔ)研究科學(xué)普及，促進(jìn)公眾理解、關(guān)心和支持基礎(chǔ)研究，在全社會(huì)營(yíng)造良好的科學(xué)氛圍。