2022年度中國科學十大進展

文/王春曉

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，并召開了專家解讀會，邀請各領域專家對中國科學十大進展進行了詳細解讀。

祝融號巡視雷達揭秘火星烏托邦平原淺表分層結構

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35億—32億年前大型洪水事件沉積?，F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。

中國科學院國家天文臺蘇彥研究員表示，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。

FAST精細刻畫活躍重復快速射電暴

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。

清華大學馮驊教授表示，重復快速射電暴偏振頻率演化的統一機制是非常重要的，該成果獲得了國內外專家的一致認可和高度肯定，引導很多理論學家去重新思考快速射電暴背后的物理機制和起源。

全新原理實現海水直接電解制氫

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386L/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5.0kWh/Nm3H2，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。

中國科學院化學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形成了從獨創性原理、顛覆性技術、國產化裝備到特色電解制氫產業模式的零碳氫能發展路徑，具有不可估量的應用價值。

揭示新冠病毒突變特征與免疫逃逸機制

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病毒傳播；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病毒中和抗體。

中國科學院微生物研究所嚴景華研究員表示，該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，在國際上引起了巨大反響，對于該領域的發展起到了積極的推動作用。

實現高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池和組件

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20cm2）。

中國科學院化學研究所胡勁松研究員表示，該工作在鈣鈦礦領域是一個非常重要的進展。他十分期待中國科學家未來能在這個領域獲得更大進展。

新原理開關器件為高性能海量存儲提供新方案

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?。?/p>

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，驅動電流密度達到11mA/cm2，疲勞壽命＞108次，開關速度～15ns，尤其在碲原子不丟失的情況下開關壽命可大幅提升。

北京大學張興教授表示，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，該研究為今后發展海量存儲和近存計算提供了全新的技術方案，具有重要意義。

實現超冷三原子分子的量子相干合成

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。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。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（“實現超冷三原子分子的量子相干合成”研究團隊供圖）

清華大學尤力教授表示，該研究團隊克服了一系列困難，取得了一系列進展，開創了人類研究超冷分子的新時代。同時，他認為，科學是相通的，每一次科學的巨大進展，都會給人類帶來寶貴的財富。

溫和壓力條件下實現乙二醇合成

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。

天津大學鞏金龍教授表示，該催化劑的成功創制和相關工藝的創新突破了常壓、低氫氣濃度條件下反應速率低的科學難題，不僅打通了傳統合成氣到乙二醇制備路線中常壓加氫催化技術的卡點，也助力整個工藝變得更加綠色、安全，拓展了合成氣轉換和選擇性氧化、加氫、脫氫，甚至二氧化碳電還原等一系列相關研究的思路，未來在煤化工、催化乃至整個能源化學領域都會產生更加積極和深遠的影響。

發現飛秒激光誘導復雜體系微納結構新機制

浙江大學邱建榮團隊、之江實驗室譚德志團隊和上海理工大學顧敏團隊，合作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；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。

北京工業大學王璞教授表示，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，為很多應用帶來新的可能性，隨著該技術進一步的突破和發展，在這個領域會有更多的應用。

實驗證實超導態“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”，成功驗證了五十八年前的理論預言。

中國科學院大學張富春研究員表示，該研究是一個非常有難度、非常有意義的工作，開辟了調控物態、構筑新型拓撲超導的新方法，得到了同行的高度評價。

“中國科學十大進展”遴選活動由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）牽頭組織，至今已成功舉辦18屆，旨在宣傳我國重大基礎研究科學進展，激勵廣大科技工作者的科學熱情和奉獻精神，開展基礎研究科學普及，促進公眾理解、關心和支持基礎研究，在全社會營造良好的科學氛圍。