京公網安備 11010502045281號2023年3月17日，科學技術部高技術研究發展中心(科學技術部基礎研究管理中心)發布了2022年度中國科學十大進展，分別為：祝融號巡視雷達揭秘火星烏托邦平原淺表分層結構；FAST精細刻畫活躍重復快速射電暴；全新原理實現海水直接電解制氫；揭示新冠病毒突變特征與免疫逃逸機制；實現高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池和組件；新原理開關器件為高性能海量存儲提供新方案；實現超冷三原子分子的量子相干合成；溫和壓力條件下實現乙二醇合成；發現飛秒激光誘導復雜體系微納結構新機制；實驗證實超導態“分段費米面”。
2022年度中國科學十大進展簡介
1. 祝融號巡視雷達揭秘火星烏托邦平原淺表分層結構
(資料圖)
詳細的火星地下結構和物性信息是研究火星地質及其宜居性演化的關鍵，是火星探測的重要內容之一。中國科學院地質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約4個月、探測長達1171米的低頻雷達數據進行了深入分析和精細成像，獲得了烏托邦平原南部淺表80米之上的高精度結構分層圖像和地層物性信息，研究發現該區域數米厚的火壤層之下存在兩套向上變細的沉積層序：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、長期風化或重復隕石撞擊作用有關；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。現今該區域80米之上未發現液態水存在的證據，但不排除存在鹽冰的可能性。該研究揭示了現今火星淺表精細結構和物性特征，提供了火星長期存在水活動的觀測證據，為深入認識火星地質演化與環境、氣候變遷提供了重要依據。
祝融號火星車在烏托邦平原進行原位雷達探測，首次揭示了烏托邦平原淺表精細分層結構
(圖片設計：中科院地質與地球所研究團隊；圖片繪制：武漢大學鄧俊)
祝融號火星車沿由北向南行進路徑采集的低頻雷達數據成像結果及解譯
2. FAST精細刻畫活躍重復快速射電暴
快速射電暴(FRB)是宇宙無線電波段最劇烈的爆發現象，起源未知，是天文領域重大熱點前沿之一。中國科學院國家天文臺李菂團隊聯合北京大學、之江實驗室和中國科學院上海天文臺團隊利用FAST發現了世界首例持續活躍的快速射電暴FRB20190520B，擁有已知最大的環境電子密度，有效推進了FRB多波段研究。通過監測活躍重復暴FRB20201124A，獲得了迄今為止最大的FRB偏振樣本，探測到FRB局域環境的磁場變化及其頻率依賴的偏振振蕩現象。針對FRB20190520B、FRB20201124A為代表的活躍重復暴，組織國際合作，特別是美國大型望遠鏡GBT協同FAST觀測，揭示了描述FRB周邊環境的單一參數即“RM彌散”，提出了重復快速射電暴偏振頻率演化的統一機制。FAST精細刻畫活躍重復快速射電暴，構建統一圖景，為最終揭示快速射電暴起源奠定了觀測基礎。
“中國天眼”發現重復快速射電暴
3.全新原理實現海水直接電解制氫
海水復雜組分引起的副反應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/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合，開創了海水原位直接電解制氫全新原理與技術，建立了氣液界面相變自遷移自驅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相變傳質的力學驅動機制，實現了無額外能耗的電化學反應協同海水遷移的動態自調節穩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了無淡化過程、無副反應、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫技術突破，為解決該領域長期困擾科技界和產業界的技術難題奠定了基礎。
原理與技術樣機圖
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涌現，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生的人體免疫力對于未來疫苗設計與疫情防控至關重要。北京大學、北京昌平實驗室曹云龍、謝曉亮團隊聯合中國科學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構特征的聯系；發現奧密克戎BA.4/BA.5變異可逃逸人體感染BA.1后所產生的中和抗體，證明了難以通過奧密克戎感染實現群體免疫以阻斷新冠傳播；基于自主研發的高通量突變掃描技術，成功預測了新冠病毒受體結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。相關研究為廣譜新冠疫苗和抗體藥物研發提供了理論依據和設計指導，為全球新冠疫情防控提供了重要參考。
介導免疫逃逸的新冠病毒受體結合域突變位點的預測
5.實現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勢，在薄膜太陽能電池的大規模應用中顯示出重要前景。但全鈣鈦礦疊層電池光電轉換效率仍低于單結鈣鈦礦電池，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鍵瓶頸。南京大學譚海仁團隊通過設計鈍化分子的極性，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。經國際權威檢測機構日本電器安全環境研究所(JET)獨立測試，疊層電池效率達26.4%，創造了鈣鈦礦電池新的紀錄并首次超越了單結鈣鈦礦電池，與市場主流的晶硅電池最高效率相當。該團隊開發出大面積疊層光伏組件的可量產化制備技術，使用致密半導體保形層來阻隔組件互連區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定性，實現了國際認證效率21.7%的疊層組件(面積20 cm2)。
創世界紀錄效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池和組件
6.新原理開關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據時代信息技術與數字經濟發展的關鍵瓶頸。中國科學院上海微系統與信息技術研究所宋志棠、朱敏團隊發明了一種基于單質碲和氮化鈦電極界面效應的新型開關器件，充分發揮納米尺度二維限定性結構中碲熔融—結晶速度快、功耗低的獨特優勢，“開態”碲處于熔融狀態是類金屬，和氮化鈦電極形成歐姆接觸，提供強大的電流驅動能力，“關態”半導體單質碲和氮化鈦電極形成肖特基勢壘，徹底夾斷電流。該晶—液態轉變的新型開關器件，組分簡單，可克服雙向閾值開關(OTS)復雜組分導致成分偏析問題；工藝與CMOS兼容且可極度微縮，易實現海量三維集成；開關綜合性能優異，驅動電流達到11 MA/cm2，疲勞壽命>108次，開關速度~15ns，尤其碲原子不丟失情況下開關壽命可大幅提升。該研究為發展海量存儲和近存計算提供了新的技術方案。
新原理開關器件示意圖
7.實現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雜的難于計算的化學反應，可以對復雜系統進行精確的全方位的研究。自從2003年美國科羅拉多大學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，并被廣泛地應用于超冷化學和量子模擬研究中。三原子分子的能級結構理論上難以計算，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。中國科學技術大學潘建偉、趙博團隊與中國科學院化學研究所白春禮團隊合作，在鈉鉀基態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。
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乙二醇合成
目前乙二醇的全球年需求量達數千萬噸級，主要來源于石油化工。為降低乙二醇的對外依存度，以中國科學院福建物質結構研究所為代表的科研機構與企業合作，在2009年發展了從煤或合成氣經過酯加氫轉化為乙二醇的萬噸級非石油路線全套技術。但在該技術路線中，存在安全隱患和乙二醇產品的純度質量不夠穩定等問題。廈門大學謝素原團隊與袁友珠團隊，聯合中國科學院福建物質結構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，研發了以C60電子緩沖來穩定亞銅的富勒烯—銅—二氧化硅催化劑，實現了富勒烯緩沖的銅催化草酸二甲酯在溫和壓力條件下數千克規模的乙二醇合成，有望降低對石油技術路線的依賴。
富勒烯改性銅催化煤/合成氣常壓制乙二醇技術
9.發現飛秒激光誘導復雜體系微納結構新機制
當將飛秒激光聚焦到材料內部時，會產生各種高度非線性效應，這種極端條件下光與物質相互作用充滿未知和挑戰。浙江大學邱建榮團隊及其合作者們發現了飛秒激光誘導復雜體系微納結構形成的新機制。以含氯溴碘離子的氧化物玻璃體系為例，實現了玻璃中具有成分和帶隙可控發光可調的鈣鈦礦納米晶3D直接光刻，呈現紅橙黃綠藍等不同顏色的發光。形成的納米晶在紫外線輻照、有機溶液浸泡和250℃高溫環境中表現出顯著的穩定性。并進一步演示了這種3D微納結構在超大容量長壽命信息存儲、高穩定的最小像素尺寸微米級的Micro-LED列陣，實現了1080p級別動態立體彩色全息顯示。該成果揭示了飛秒激光誘導空間選擇性介觀尺度分相和離子交換的規律，開拓了飛秒激光三維極端制造新技術原理。
飛秒激光誘導帶隙可控結構示意圖以及三維圖案化的實現
10.實驗證實超導態“分段費米面”
費米面決定了固體材料的電學、光學等多種物理性質。對費米面的人工調控，是材料物性調控的最重要途徑。超導體因為在費米能級處有能隙，沒有費米面。1965年Peter Fulde理論預言，讓超導體中庫珀對動起來，增加其動量，會導致庫珀對破裂，能在超導能隙中產生出一種特殊的“分段費米面”。上海交通大學賈金鋒、鄭浩團隊與麻省理工學院傅亮團隊合作，設計制備了拓撲絕緣體/超導體(Bi2Te3/NbSe2)異質結體系，借助超導近鄰效應在Bi2Te3中誘導出超導，并用水平磁場在體系中產生較小的庫伯對動量，得益于Bi2Te3拓撲表面態的費米速度極高的獨特優勢，在拓撲表面態中庫伯對已經破裂，最終實現并觀察到了這種特殊的“分段費米面”，成功驗證了58年前的理論預言。該研究開辟了調控物態、構筑新型拓撲超導的新方法。
超導“分段費米面”
(人民日報客戶端 趙永新)
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