中國稀土2020年度十大科技新聞

2020年，中國稀土科技工作并沒有因疫情的嚴重影響而放慢創新的步伐，廣大稀土科技工作者以科技創新為指引，攻堅克難、奮力拼搏，在基礎研究、資源利用、技術提升、拓展應用、疫情防控等方面取得顯著成績。為進一步激勵廣大稀土科技工作者勇攀高峰，再創佳績，中國稀土學會、包頭稀土研究院、“中國稀土”網站聯合梳理 2020年度稀土科技新聞，整理出“中國稀土 2020年度十大科技新聞”。

1.我國碳酸稀土沉淀生產首次實現自動化

2020年，北方稀土“萬噸級輕稀土碳酸鹽連續化生產工藝研究及產業化”項目通過中國稀土行業協會專家評審并正式投產。該項目的投產標志著我國首次在稀土行業真正實現了碳酸稀土沉淀生產過程的連續化和自動化。

北方稀土研發團隊自主研發了輕稀土碳酸鹽連續化沉淀、碳酸氫銨與氨水的混合沉淀劑和自動化控制技術，并通過技術集成解決了單級、間歇式生產造成的用水量大、廢水產生量大、產品質量波動大、沉淀劑濃度較低、整個生產過程中自動化水平低等問題。研發團隊從沉淀劑配置和凈化設備入手，規劃驗證總體控制集成，并以此為依據，設計建成了原料配置凈化系統、恒壓供料系統和碳酸鑭等連續沉淀生產線。該項目實現二氧化碳減排達80%，電耗降低29%，廢水量降低40%，年節約生產成本1億元以上。

2.我國科學家在量子存儲領域取得重要進展

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在量子存儲領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權等人采用飛秒激光微加工技術制備出高保真度的可集成固態量子存儲器，并基于自主研制設備首次實現稀土離子的電子自旋及核自旋相干壽命的全面提升。

當前固態量子存儲器研究面臨兩方面的挑戰，一方面，已有的固態量子存儲實驗使用的存儲介質大多是塊狀晶體，這種材料不能直接對接光纖網絡或集成光學芯片，難以實現大規模擴展性應用。另一方面，稀土離子的電子自旋及核自旋與晶體內聲子相互作用，導致量子存儲器的相干壽命嚴重受限。為了推進量子存儲器的實用化，研究組從材料加工與測試裝備著手對以上問題展開系統性研究。

為解決擴展性問題，研究組采用飛秒激光微加工技術首次在摻銪硅酸釔晶體中刻蝕出光波導，研制出可集成的固態量子存儲器。波導區域距晶體表面150微米，波導寬度為20微米，可以與其他微納電子學及微納光學器件進行集成加工。由于波導區域內的光場功率密度高，實驗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。實驗中演示了原子頻率梳（AFC）以及低噪聲回波恢復（ROSE）兩種光量子存儲方案。兩種方案對應的保真度分別超過99%和97%，表明這種可集成量子存儲器具有很高的可靠性。

針對相干壽命受限的問題，研究組在解決了系列技術難題后，成功搭建出國際首個深低溫脈沖式電子與核自旋雙共振譜儀，并嚴格標定其最低工作溫度為0.1K。在0.1K溫度下，測得摻釹硅酸釔晶體的自旋回波信號的信噪比相比4K溫度下提升了20倍，電子自旋的布居數壽命和相干壽命分別達到15秒和2毫秒，同時核自旋的布居數壽命和相干壽命則分別達到10分鐘和40毫秒，這四項壽命指標相比4K溫度下均實現超過一個數量級的提升。

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

3.新一代稀土納米斷熱材料實現產業化應用新突破

包頭稀土研究院天津分院聯合包頭稀土研究院專家通過對三元稀土共摻雜硼化物材料的制備研究與性能篩選，成功自主研發出一款新型稀土納米復合斷熱材料。該材料以稀土硼化物為基礎，一方面，由于硼原子具有極強的電負性，其可以與稀土元素形成較強的作用力，使得最終形成的稀土納米斷熱材料具有優異的耐酸堿性；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，當入射光的光子激發時，自由電子與入射光子發生共振，從而在宏觀上表現為吸熱能力。此外，通過對稀土元素種類以及摻雜量的調控，可以進一步控制入射光子發生共振的波長范圍。利用這種方法，使該材料成功解決了現有材料環境穩定性不足與無法對紅外線進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合實驗室，對斷熱材料進行深層次產品開發及中試驗證。稀土納米斷熱涂層產品在保證超高透過率的前提下，最終實現95%紅/紫外線斷熱效果，將其直接涂在玻璃表面，能夠在3小時內快速降溫。該產品可廣泛運用于節能環保型汽車和節能型建筑玻璃。

截至2020年，已經申請發明專利三項，授權外觀設計專利一項，申請商標兩項。

4.國內外科學家合作發現世界上首個單分子駐極體

中國人民大學物理學系季威教授、王聰博士與南京大學宋鳳麒教授、廈門大學謝素原教授、倫斯勒理工學院史夙飛教授、耶魯大學Mark A.Reed教授等研究團隊合作，通過理論計算和實驗測量發現了世界上首個單分子駐極體（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，合作團隊首次在Gd@C82單分子器件中發現了單分子駐極體特征，并展示了其信息存儲能力，將駐極體的尺寸極限縮小到了1nm尺度。他們在1.6 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寬的金屬導線上制造出了一道1nm左右的間隙，并成功構造了幾個Gd@C82單分子器件（如圖a所示），隨后固定一個非常接近于零（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的源流電流Ids，得到兩套譜線，對應兩種器件狀態（state 1和state 2），如圖b所示，這兩種狀態可以通過改變柵壓相互切換，在同一個單分子器件中，表現出了兩套截然不同的輸運特性。

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，并實現了存儲操作。該單分子電偶極矩的可控翻轉，實際是內嵌原子的位置移動，即該器件是一種以單分子電偶極矩翻轉模式運行的單原子存儲器。兩個不同的原子位置可以用來編碼信息，為未來存儲器件小型化提供一種方案，也展現出一個新興的研究方向。

5.國內成功研制出快速簡易篩查新型冠狀病毒（2019-nCoV）lgM抗體檢測試劑

為應對新型冠狀病毒肺炎疫情，生物應急與臨床POCT（北京市）重點實驗室”召集組織聯合攻關工作，合作攻關團隊單位還包括上海科炎光電技術有限公司、解放軍總醫院第五醫學中心（原解放軍302醫院）、沈陽第六人民醫院等。基于攻關團隊在臨床免疫診斷領域的雄厚科研基礎和生物應急領域的豐富疫情響應經驗，在前期研發成功新冠狀病毒核酸檢測試劑（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，研發出了10分鐘快速出診斷結果的膠體金免疫檢測試劑和上轉發光免疫檢測試劑。稀土材料在該試劑中作為核心材料發揮了關鍵作用，也為防控和抗擊新冠疫情作出了貢獻。

此系列免疫試劑能快速、有效、定性檢測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首先出現的抗體，在感染后較早出現，在急性期或恢復早期達到高峰。對于大面積爆發的疫情狀況，可用于臨床醫院快速篩查，同時再結合其他臨床指征進行快速診斷。

6.我國首臺大功率船舶用稀土永磁發電機研制成功

2020年，搭載中車株洲電機公司船舶直流組網2兆瓦永磁發電機的國產首艘油電混合大型濱海觀光船“大灣區一號”成功交付。

此次在稀土永磁發電機的整體設計上采用了全封閉結構電機，開發了新型轉子冷卻結構和鈦合金空水冷卻器，解決了大功率永磁發電機散熱難題，其效率大于97%。與傳統勵磁同步發電機相比，體積減小30%，重量減輕35%，具有結構簡單、高效、高可靠、維護量少等優點，發電機整體技術指標達到國際先進水平。

中車直流組網電力推進系統方案具有從芯片、裝備到系統的全生態鏈自主可控，采用稀土永磁驅動，更高效節能，具有綠色排放、舒適靜音等優點。

中車株洲電機研制出的我國首臺大功率船舶永磁發電機，填補了國內該領域技術研究空白，可廣泛應用于內河客貨船、工程船、海上豪華郵輪、公務船、海洋工程船等。

7.輕質、高強、高模量稀土生物特種纖維材料取得創新成果

高性能生物纖維是一種具有戰略意義的特種材料，并以性能卓越、功能強大等特性有望應用于國防裝備和醫學等領域。然而發展輕質高機械性能且易加工的特種生物纖維仍是一種巨大挑戰。就此而言，稀土金屬元素4f5d特殊電子層結構與生物分子的特異性結合能力，為高性能特種纖維的增材制造和創新提供重要技術支撐。清華大學化學系劉凱副教授、張洪杰院士團隊借助合成生物學技術，并充分發揮稀土在制備高技術材料領域的獨特優勢，通過稀土離子進行力學功能蛋白的體外翻譯后修飾，強化了稀土金屬離子和氨基酸側鏈鄰苯二酚之間的絡合作用，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到10GPa，可與天然蜘蛛絲相當。另一方面，該類稀土特種纖維表現出優越的可拉伸性，高度可塑性以及強熒光性能。因此該工作為工程化制備輕質高強高模特種生物纖維提供了全新的策略，也為探索及發展新一代高技術裝備材料提供了新的研究思路，對進一步發展具有高機械強度的稀土特種生物纖維具有重大指導意義。

（a）生物法制備稀土力學功能彈性蛋白；（b，c）稀土生物特種纖維結構示意圖；（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)配合物在藍光OLED研究中取得突破

北京大學化學與分子工程學院黃春輝課題組合成了兩種具有納秒級短激發態壽命的d-f躍遷稀土鈰(III)配合物Ce-1和Ce-2（圖1），紫外激發下分別發射深藍色和天藍色光，光致發光量子產率均超過90%。經過優化，兩種材料在OLED中均實現了高效藍色發光，首次證明了鈰(III)配合物在OLED中具有100%的激子利用率。此外，相較于發光顏色相近的傳統的磷光銥(III)配合物器件，基于鈰(III)配合物器件的工作穩定性提高近70倍。

研究人員認為，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，形成二重態激子并輻射發光，從而繞過傳統閉殼層發光材料中自旋統計限制，實現高激子利用率的目標，而自旋和宇稱允許的d-f躍遷所伴隨的短激發態壽命則是器件穩定性提高的根源。

圖1.配合物Ce-1、Ce-2的分子結構和發光顏色

考慮到鈰(III)配合物還具有可調的發射光譜和較低的原料成本，此類發光材料不僅有望解決實際應用中高效藍光OLED存在的難題，同時還有潛力成為新一代發光材料應用于OLED全色顯示和照明。這項工作對于實現我國稀土資源高價值利用，發展具有自主知識產權的OLED發光材料具有重大意義。

9.高強度、焊接性優異的新型鎂稀土合金軋制板材面世

伴隨著國防軍工對輕量化持續增長的需求，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輕量化結構材料及裝甲的需求越來越急迫，鎂稀土合金以其低密度、高強度、耐腐蝕、優異的耐高溫以及可焊接性，得到越來越廣泛的研究與應用。

中鋁輕研合金科技有限公司成功開發出高強度、焊接性優異的大寬幅鎂稀土合金板材并實現工業化批量生產，新型鎂稀土合金軋制板材抗拉強度最高可達365MPa，屈服強度310MPa，延伸率大于6%。

中鋁輕研合金還研制出強度更高的鎂稀土軋制板材，該合金通過弱化部分塑性進一步優化強度，其抗拉強度大于400MPa、屈服強度大于300MPa、延伸率大于4%）。

10.摻雜稀土元素的近紅外激發電壓納米探針用于神經元電信號在體成像

中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室杜久林研究組與中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林、步文博研究組合作研究開發了一種可用近紅外光激發的電壓熒光納米探針，成功監測了斑馬魚和小鼠腦中神經元膜電位的動態變化。

圖注：電壓納米探針的設計及其感應機理。首先，UCNPs固定在神經元細胞膜上。其次，將六硝基二苯胺（DPA）嵌入細胞膜磷脂雙分子層。在神經元靜息狀態下，帶負電荷的DPA在細胞膜外側富集，UCNP與DPA之間形成發光共振能量轉移體系（FRET），UCNPs發光被DAP吸收，檢測到的光信號弱。當神經元去極化后，DPA在電場作用下在細胞膜內側富集，FRET效應減弱，從而恢復UCNPs的發光。

稀土元素摻雜的上轉換納米顆粒（UCNPs）是一類近紅外光激發，紫外、可見光多重發射的反斯托克斯發光納米材料。由于其深組織穿透度、低背景熒光、多重發射的特性，已在生物成像與活體診療的應用中獲得廣泛關注。在該工作中，研究人員設計和制備了一種基于UCNPs的電壓敏感探針。首先將UCNPs固定在細胞膜上，然后將六硝基二苯胺（DPA）嵌入細胞膜磷脂雙分子層。在細胞靜息狀態下，帶負電荷的DPA在細胞膜外側富集，UCNP與DPA之間距離在10 nm以內，因此形成發光共振能量轉移體系（FRET），UCNPs發光被DAP吸收，檢測到的光信號較弱。當細胞去極化后，DPA在電場作用下在細胞膜內側富集，UCNP與DPA之間距離超過10 nm，FRET效應消失，從而恢復UCNPs的發光。

為驗證該電壓納米探針在神經元電活動檢測中的優勢，研究人員應用該納米探針分別檢測了斑馬魚前腦神經元的嗅覺反應和小鼠新皮層神經元膜電位振蕩隨麻醉深度的變化。神經元的電活動具有豐富的動態性，而以往開發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。更嚴重的是，此類探針極易熒光淬滅，因此可記錄時間較短，嚴重限制了其實用性。應用新開發的電壓納米探針，研究人員研究了斑馬魚前腦神經元對食物刺激的反應。在近紅外光激發下，單次施加該食物刺激即可顯著增強神經元的熒光信號，并可在連續數次刺激下穩定記錄。進一步地，得益于UCNPs較低程度的淬滅，活體記錄時間可長達30分鐘，遠高于目前的蛋白分子探針。

該工作為設計可用近紅外光激發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活動開辟了實時動態監測的新方法。