2022年度中国科学十大进展

文/王春晓

3月17日，科学技术部高技术研究发展中心（科学技术部基础研究管理中心）发布了2022年度中国科学十大进展，并召开了专家解读会，邀请各领域专家对中国科学十大进展进行了详细解读。

祝融号巡视雷达揭秘火星乌托邦平原浅表分层结构

中国科学院地质与地球物理研究所陈凌、张金海团队等对祝融号火星车行进约4个月、探测长达1171米的低频雷达数据进行了深入分析和精细成像，获得了乌托邦平原南部浅表80米之上的高精度结构分层图像和地层物性信息，研究发现该区域数米厚的火壤层之下存在两套向上变细的沉积层序：第一套层序位于地下约10—30米，其形成可能与距今约16亿年以来短时洪水、长期风化或重复陨石撞击作用有关；第二套层序位于地下约30—80米，可能是距今35亿—32亿年前大型洪水事件沉积。现今该区域80米之上未发现液态水存在的证据，但不排除存在盐冰的可能性。

中国科学院国家天文台苏彦研究员表示，该研究揭示了现今火星浅表精细结构和物性特征，提供了火星长期存在水活动的观测证据，为深入认识火星地质演化与环境、气候变迁提供了重要依据。

FAST精细刻画活跃重复快速射电暴

中国科学院国家天文台李菂团队联合北京大学、之江实验室和中国科学院上海天文台团队，利用FAST发现了世界首例持续活跃的快速射电暴FRB20190520B，拥有已知最大的环境电子密度，有效推进了FRB多波段研究。通过监测活跃重复暴FRB20201124A，获得了迄今为止最大的FRB偏振样本，探测到FRB局域环境的磁场变化及其频率依赖的偏振振荡现象。针对FRB20190520B、FRB20201124A为代表的活跃重复暴，组织国际合作特别是美国大型望远镜GBT协同FAST观测，揭示了描述FRB周边环境的单一参数即“RM弥散”，提出了重复快速射电暴偏振频率演化的统一机制。FAST精细刻画活跃重复快速射电暴，构建统一图景，为最终揭示快速射电暴起源奠定了观测基础。

清华大学冯骅教授表示，重复快速射电暴偏振频率演化的统一机制是非常重要的，该成果获得了国内外专家的一致认可和高度肯定，引导很多理论学家去重新思考快速射电暴背后的物理机制和起源。

全新原理实现海水直接电解制氢

深圳大学/四川大学谢和平团队通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应结合，开创了海水原位直接电解制氢全新原理与技术，建立了气液界面相变自迁移自驱动的海水直接电解制氢理论方法，形成了界面压力差海水自发相变传质的力学驱动机制，实现了无额外能耗的电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定海水直接电解制氢。自主研制的386L/h H2原理样机在真实海水中稳定制氢超过3200小时，法拉第效率近乎100%，电解能耗约5.0kWh/Nm3H2，隔绝海水离子的同时实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的高效海水原位直接电解制氢技术突破，为解决该领域长期困扰科技界和产业界的技术难题奠定了基础。

中国科学院化学研究所张建玲研究员表示，海水原位直接电解制氢全新原理与技术形成了从独创性原理、颠覆性技术、国产化装备到特色电解制氢产业模式的零碳氢能发展路径，具有不可估量的应用价值。

揭示新冠病毒突变特征与免疫逃逸机制

北京大学、北京昌平实验室曹云龙、谢晓亮团队联合中国科学院生物物理研究所王祥喜团队率先揭示了新冠奥密克戎突变株及其新型亚类的体液免疫逃逸机制与突变进化特征，揭示奥密克戎BA.1中和抗体逃逸机制及其与病毒刺突蛋白结构特征的联系；发现奥密克戎BA.4/BA.5变异可逃逸人体感染BA.1后所产生的中和抗体，证明了难以通过奥密克戎感染实现群体免疫以阻断新冠病毒传播；基于自主研发的高通量突变扫描技术，成功预测了新冠病毒受体结合域免疫逃逸突变位点，并前瞻性筛选出广谱新冠病毒中和抗体。

中国科学院微生物研究所严景华研究员表示，该研究为广谱新冠疫苗和抗体药物研发提供了理论依据和设计指导，为全球新冠疫情防控提供了重要参考，在国际上引起了巨大反响，对于该领域的发展起到了积极的推动作用。

实现高效率的全钙钛矿叠层太阳能电池和组件

南京大学谭海仁团队通过设计钝化分子的极性，提升其在窄带隙钙钛矿晶粒表面缺陷位点上的吸附强度，显著增强缺陷钝化，大幅提升全钙钛矿叠层电池的效率。经国际权威检测机构日本电器安全环境研究所（JET）独立测试，叠层电池效率达26.4%，创造了钙钛矿电池新的纪录并首次超越了单结钙钛矿电池，与市场主流的晶硅电池最高效率相当。该团队开发出大面积叠层光伏组件的可量产化制备技术，使用致密半导体保形层来阻隔组件互连区域钙钛矿与金属背电极的接触，显著地提升了组件的光伏性能和稳定性，实现了国际认证效率21.7%的叠层组件（面积20cm2）。

中国科学院化学研究所胡劲松研究员表示，该工作在钙钛矿领域是一个非常重要的进展。他十分期待中国科学家未来能在这个领域获得更大进展。

新原理开关器件为高性能海量存储提供新方案

祝融号火星车在乌托邦平原进行原位雷达探测，首次揭示了乌托邦平原浅表精细分层结构（图片设计：中科院地质与地球所研究团队；图片绘制：武汉大学邓俊）

中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠、朱敏团队发明了一种基于单质碲和氮化钛电极界面效应的新型开关器件，充分发挥纳米尺度二维限定性结构中碲熔融——结晶速度快、功耗低的独特优势，“开态”碲处于熔融状态是类金属，和氮化钛电极形成欧姆接触，提供强大的电流驱动能力，“关态”半导体单质碲和氮化钛电极形成肖特基势垒，彻底夹断电流。该晶—液态转变的新型开关器件，组分简单，可克服双向阈值开关（OTS）复杂组分导致成分偏析问题；工艺与CMOS兼容且可极度微缩，易实现海量三维集成；开关综合性能优异，驱动电流密度达到11mA/cm2，疲劳寿命＞108次，开关速度～15ns，尤其在碲原子不丢失的情况下开关寿命可大幅提升。

北京大学张兴教授表示，高密度与海量存储是大数据时代信息技术与数字经济发展的关键瓶颈，该研究为今后发展海量存储和近存计算提供了全新的技术方案，具有重要意义。

实现超冷三原子分子的量子相干合成

中国科学技术大学潘建伟、赵博团队与中国科学院化学研究所白春礼团队合作，在钠钾基态分子和钾原子混合气中，在分子—原子Feshbach共振附近利用射频合成技术首次相干地合成了超冷三原子分子。从2003年美国科罗拉多大学Deborah Jin研究组从超冷原子气中合成了钾双原子分子以来，多种超冷双原子分子先后在其他实验室中被制备出来，并被广泛地应用于超冷化学和量子模拟研究中。三原子分子的能级结构理论上难以计算，实验操控也极其困难，因此制备超冷三原子分子一直是实验上的巨大挑战。该研究为超冷化学和量子模拟的研究开辟了新的方向。

从超冷双原子分子和原子混合气中利用射频场合成三原子分子的示意图（“实现超冷三原子分子的量子相干合成”研究团队供图）

清华大学尤力教授表示，该研究团队克服了一系列困难，取得了一系列进展，开创了人类研究超冷分子的新时代。同时，他认为，科学是相通的，每一次科学的巨大进展，都会给人类带来宝贵的财富。

温和压力条件下实现乙二醇合成

厦门大学谢素原团队与袁友珠团队，联合中国科学院福建物质结构研究所和厦门福纳新材料科技有限公司的研究人员将富勒烯C60作为“电子缓冲剂”用于改性铜—二氧化硅催化剂，研发了以C60电子缓冲来稳定亚铜的富勒烯—铜—二氧化硅催化剂，实现了富勒烯缓冲的铜催化草酸二甲酯在温和压力条件下数千克规模的乙二醇合成，有望降低对石油技术路线的依赖。

天津大学巩金龙教授表示，该催化剂的成功创制和相关工艺的创新突破了常压、低氢气浓度条件下反应速率低的科学难题，不仅打通了传统合成气到乙二醇制备路线中常压加氢催化技术的卡点，也助力整个工艺变得更加绿色、安全，拓展了合成气转换和选择性氧化、加氢、脱氢，甚至二氧化碳电还原等一系列相关研究的思路，未来在煤化工、催化乃至整个能源化学领域都会产生更加积极和深远的影响。

发现飞秒激光诱导复杂体系微纳结构新机制

浙江大学邱建荣团队、之江实验室谭德志团队和上海理工大学顾敏团队，合作发现了飞秒激光诱导复杂体系微纳结构形成的新机制。以含氯溴碘离子的氧化物玻璃体系为例，实现了玻璃中具有成分和带隙可控发光可调的钙钛矿纳米晶3D直接光刻，呈现红橙黄绿蓝等不同颜色的发光，形成的纳米晶在紫外线辐照、有机溶液浸泡和250℃高温环境中表现出显著的稳定性；进一步演示了这种3D微纳结构在超大容量长寿命信息存储、高稳定的最小像素尺寸微米级的Micro-LED列阵，实现了1080P级别动态立体彩色全息显示。

北京工业大学王璞教授表示，该成果揭示了飞秒激光诱导空间选择性介观尺度分相和离子交换的规律，开拓了飞秒激光三维极端制造新技术原理，为很多应用带来新的可能性，随着该技术进一步的突破和发展，在这个领域会有更多的应用。

实验证实超导态“分段费米面”

上海交通大学贾金锋、郑浩团队与麻省理工学院傅亮团队合作，设计制备了拓扑绝缘体/超导体（Bi2Te3/NbSe2）异质结体系，借助超导近邻效应在Bi2Te3中诱导出超导，并用水平磁场在体系中产生较小的库伯对动量，得益于Bi2Te3拓扑表面态的费米速度极高的独特优势，在拓扑表面态中库伯对已经破裂，最终实现并观察到了这种特殊的“分段费米面”，成功验证了五十八年前的理论预言。

中国科学院大学张富春研究员表示，该研究是一个非常有难度、非常有意义的工作，开辟了调控物态、构筑新型拓扑超导的新方法，得到了同行的高度评价。

“中国科学十大进展”遴选活动由科学技术部高技术研究发展中心（科学技术部基础研究管理中心）牵头组织，至今已成功举办18届，旨在宣传我国重大基础研究科学进展，激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神，开展基础研究科学普及，促进公众理解、关心和支持基础研究，在全社会营造良好的科学氛围。