黃龍光 邊文越 張超星 冷伏海
(中國科學院科技戰略諮詢研究院)
2018年基礎前沿領域取得多項突破:超導､粒子物理､量子技術等領域取得重大突破,自動合成+人工智能正在改變傳統有機合成,簡單有效的納米材料製備方法助力多領域的發展｡
一､重要研究進展
01
超導､粒子物理､量子技術等領域取得重大突破
▋ 超導研究收穫新思路與重大突破｡
美國麻省理工學院等發現兩層石墨烯以1.1°的“魔角”扭曲在一起時會形成莫特絕緣體態和實現非常規超導電性,為超導研究帶來了新思路｡
日本名古屋大學等首次發現超導準晶體,通過改變特殊金屬合金中元素的比例創造出溫度低於0.05K的超導準晶體,證實準晶體中可能存在超導性的設想,可能導致超導新材料的出現｡
中國科學院物理研究所等首次在超導塊體材料中觀測到馬約拉納任意子,並且能在相對高的溫度下實現,為馬約拉納物理的研究開闢新的方向｡
▋ 粒子物理研究成果豐碩｡
“冰立方”中微子天文臺將其捕捉到的高能中微子成功溯源到一個距地球約37.8億光年的耀變體,首次精確定位“幽靈粒子”起源,為人類認識宇宙提供一種新方法｡
美國費米國家加速器實驗室MinibooNE 實驗發現與已知的三個中微子味(電子味､μ子味､τ子味)不相符的信號,再次引發關於惰性中微子的爭論｡
加拿大和歐洲核子研究中心(CERN)首次實現反氫內基準能量躍遷,向冷卻和操縱反氫原子邁進了一步｡
歐洲核子研究中心完成迄今最精準反物質光譜檢測,將反物質的高精度檢測向前推進了一大步｡
歐洲核子研究中心探測到希格斯玻色子與頂夸克的相互作用｡
中國“超級顯微鏡”散裂中子源投入運行｡
日本理化學研究所等理論預言存在新粒子雙重子態粒子“ΩΩ”｡
美國亞利桑那州立大學等觀察到第一批恆星形成時期的氫氣吸收信號可深入瞭解暗物質的性質｡
▋ 量子技術發展迅猛｡
中國科學技術大學等利用“墨子”號量子科學實驗衛星衛星首次實現世界洲際量子密鑰分發,標誌著“墨子”號已經具備實現洲際量子保密通信的能力｡
澳大利亞設計的“量子開關”驗證出不確定的因果順序,可能對處理量子信息有用｡
英特爾公司成功設計交付49量子比特(quantum bit,qubit)超導芯片,谷歌公司公佈72量子比特芯片｡
中國科學技術大學在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏,奧地利實現20量子比特系統內受控的多粒子糾纏｡
美國研發出生成真正隨機數的量子力學新方法,中國科學技術大學在國際上首次實現器件無關的量子隨機數｡
▋ 物理常數的更新將促進更先進的研究｡
國際單位制基本單位中的千克､安培､開爾文､摩爾將分別改由普朗克常數､基本電荷常數､玻爾茲曼常數､阿伏伽德羅常數定義｡
華中科技大學測出目前國際上最精準的萬有引力常數｡
02
自動合成+人工智能正在改變傳統有機合成
▋ 自動合成+人工智能正在改變傳統有機合成｡
英國格拉斯哥大學和美國麻省理工學院研究人員分別開發出集人工智能､自動合成､分析檢測於一身的智能合成系統,只需通過隨機運行少數反應並將結果供智能算法學習,就可準確預測反應或優化反應條件｡
美國輝瑞公司和默克公司研究人員競相開發自動化高通量化學反應篩選平臺｡
默克公司研究人員充分發揮平臺快速收集大量反應數據的優勢,與普林斯頓大學研究人員合作利用數據訓練人工智能算法,可準確預測反應收率｡
▋ 有機合成技術不斷創新｡
美國研究人員結合光催化和酶催化,使烯烴發生異構化並進行碳碳雙鍵還原｡
美國普林斯頓大學研究人員結合光致氧化還原催化和過渡金屬催化,實現了脂環烴惰性碳氫鍵的芳基化｡
中國上海科技大學研究人員開發了一種廉價､高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協同催化體系,可利用光能在室溫下將甲烷一步轉化為高附加值的液態產品｡
美國加州理工學院研究人員通過對細胞色素P450進行定向進化,使其能高效催化碳氫鍵官能團化和高張力碳環合成｡
美國研究人員開發出一種手性膦試劑,可高立體選擇性合成硫代磷酸寡核苷酸,有望推動小核酸藥物發展｡
美國哈佛大學研究人員報道了通過SＮ1親核取代反應高對映選擇性合成具有季碳手性中心化合物｡
▋ 化學助力節能環保｡
美國麻省理工學院研究人員開發了一種可用於合成多種含磷化合物的新型磷試劑,從而減少白磷的使用｡
美國伊利諾伊大學研究人員開發了新的前端聚合策略,可大幅降低合成熱固性聚合物的時間和能耗｡
中美科學家合作製備了一種含鐵過氧位點的金屬有機框架化合物(Fe₂ (O₂)(dobdc)),僅需單次循環便能從乙烷/乙烯混合物中分離獲得聚合物級純度乙烯｡
中國南開大學研究人員製備了具有高效､寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件,光電轉化效率達到17.3%｡
▋ 分析表徵能力取得突破｡
美國和瑞士研究人員分別開發了利用電子顯微鏡快速解析有機小分子結構的新技術,分辨率可達到1Å｡
美國康奈爾大學研究人員刷新了電鏡分辨率世界紀錄,將其提高至0.39Å｡
中國北京大學研究人員首次獲得離子水合物的原子級分辨圖像｡
(5)鈣鈦礦光電材料研究非常活躍｡
在鈣鈦礦太陽能電池方面,中國科學院半導體研究所研究人員創造了研究單元光電轉換效率的紀錄(23.7% ),日本東芝公司研究人員創造了模塊(703cm²)效率的紀錄11.7% ｡
在鈣鈦礦基LED方面,英國劍橋大學研究人員把內部發光效率提升至接近100% ,中國南京工業大學研究人員把外量子效率提高至20.7%｡
中國和新加坡研究人員合作發現了一類全無機鈣鈦礦納米晶閃爍體,可實現超靈敏X 射線檢測｡
中國東南大學研究人員製備了世界首例無金屬鈣鈦礦鐵電體,並首次發現手性對映體鐵電體｡
此外,美國哈佛大學研究人員精準操控兩個原子合成一個分子｡
中國復旦大學研究人員發現鈣､鍶和鋇可形成穩定的八羰基化合物分子,滿足18電子規則,表現出典型的過渡金屬成鍵特性｡
日本和瑞典研究人員證實水存在兩種液相｡
美國桑迪亞國家實驗室研究人員揭示了氣態燃料燃燒生成煙黑顆粒的化學過程｡
-
美國研究人員利用金剛石產生巨大壓強斷裂化學鍵｡
美國加州理工學院研究人員開發了在接近零重力條件下光解水制氫氣和氧氣技術,有望用於長期星際飛行｡
03
納米材料助力多領域的發展,簡單有效的製備方法層出不窮
▋ 納米材料在生物醫學領域大放光彩｡
美國芝加哥大學以納米金屬有機框架化合物(Fe-TBP)為光敏劑,克服了光動力學療法的腫瘤缺氧問題,可使90% 的腫瘤退化,提高腫瘤的免疫治療效果｡
牛津大學一步法合成了超順磁性鎳膠體納米晶體簇,表現出對革蘭氏陽性和陰性細菌及細菌孢子的抗菌和捕獲能力｡
康奈爾大學藉助硫酸化的吲哚菁的自組裝製備了載藥量高達90% 的靶向藥物載體納米粒子,並設計了預測模型,使納米藥物計算設計成為可能｡
中國深圳大學與美國加州大學洛杉磯分校合成了新型氫化鈀納米材料,實現了光熱成像/光聲成像引導氫熱治療,可潛在地對多種腫瘤實現高效､低毒的治療｡
▋ 納米催化劑在水裂解析氫領域發揮了重要作用｡
美國得克薩斯大學奧斯汀分校利用製備的NiCoA (A=P,Se,O)多孔納米片實現了水裂解的0V 起始過電位,可在1.56V 下實現全解水｡
中國中山大學通過弱化聚苯胺/磷化鈷雜化納米線電催化劑表面上氫離子的束縛方式,實現了該納米線的類鉑析氫電催化｡
西安交通大學聯合美國加利福尼亞大學利用水熱法合成了超細Pt—M (M=Ni,Co,Fe)合金納米線,3μg的Pt實現了75.3mA/cm²的析氫活性｡
▋ 納米材料助力電池性能提升｡
中國北京科技大學利用靜電紡絲技術將磷鐵鈉礦納米粒子鑲嵌入多孔氮摻雜的碳納米纖維,製備了可直接用於鈉離子電池的正極材料｡
華中科技大學及同濟大學等機構開發了可作為自立式雙功能電極的核殼結構碳基納米材料(吡啶為主)｡
新加坡南洋理工大學以球磨納米硅粉為原料,通過自上而下鋰化/脫鋰過程製備出可用於可充鋰氧電池寡層硅烯狀納米片｡
▋ 新穎的製備方法､新材料及新現象不斷出現｡
美國路易斯安那州立大學通過連續吸附異金屬雙絡合鹽的方法合成了10種不同的負載型雙金屬納米粒子｡
中國科學院化學研究所採用快速生長技術(5s)獲得了高質量的過渡金屬二鹵化物納米卷｡
美國加州大學伯克利分校聯合勞倫斯伯克利國家實驗室等機構合成了一維過渡金屬三硫族化物NbSe₃鏈｡
哥倫比亞大學及得克薩斯大學埃爾帕索分校通過合成三葉螺旋槳納米結構,製備出高性能光電子材料三維(3D)石墨烯｡
韓國首爾大學和浦項工程大學利用手性氨基酸和肽控制金納米顆粒的生長的方式製備出單一手性三維金納米顆粒｡
二､重要戰略規劃
美國､歐盟､日本､英國､德國等全面開展量子技術戰略,美國探討未來暗物質研究優先方向,歐盟為“地平線歐洲”計劃確定關鍵使能技術,日本部署納米技術和材料研發戰略,以更好地搶佔未來基礎研究的重大突破和技術進步的先機｡（略）
三､發展啟示建議
01
加強基礎前沿領域戰略研判
基礎前沿領域不斷取得重大突破,正在開闢新前沿新方向｡高溫超導､中微子､暗物質､量子技術等方向迅猛發展,同時也在探索更好的思路和實現路徑｡進一步把握基礎前沿領域的重要研究進展和重要戰略規劃,通過綜合分析與專家研判相結合,加強基礎前沿領域的戰略研判,有助於把握基礎前沿領域發展大勢,為國家科技決策和科研活動的開展提供準確､前瞻､及時的建議｡
02
高度重視化學的基礎性作用,積極佈局智能自動合成等前沿研究
作為一門以物質合成為主的學科,化學為物理､生物､材料､能源､環境､信息等學科的發展提供了堅實基礎｡合成化學又是化學的基礎｡傳統的人工､間歇式合成方法正在遭受自動合成+人工智能的挑戰｡合成化學一旦實現智能化､自動化,將極大地提高科學研究水平,推動生產力發展｡因此,建議我國高度重視自動合成+人工智能研究,部署重大研究項目､工程,組織相關力量(信息､自動化､化學等)跨學科協作研究,重點研究有機合成數據庫建設､合成路線智能設計算法､高效化學反應､自動合成和檢測等關鍵技術｡
致謝:中國科學院化學研究所張建玲研究員對本文初稿進行了審閱並提出了寶貴的修改意見,特致感謝!
參考文獻（略）
本文摘編自《2019科學發展報告》（中國科學院 編. 北京：科學出版社，2020.01）一書“第四章 科技領域發展觀察”，有刪減，標題為編者所加。
中國科學院年度報告系列
《2019科學發展報告》
中國科學院 編
北京：科學出版社，2020.01
ISBN 978-7-03-064608-8
本報告是中國科學院發佈的年度系列報告《科學發展報告》的第22部,旨在全面綜述和分析2018年度國際科學研究前沿進展動態,研判和展望國際重要科學領域研究發展趨勢,揭示和洞察科技創新突破及快速應用的重大經濟社會影響,報道和介紹我國科學傢俱有代表性的重要科學研究成果,觀察和綜述國際主要科技領域科學研究進展及科技戰略規劃與研究佈局,概括和介紹我國科學研究整體發展狀況,並向國家決策部門提出有關中國科學的發展戰略和科技政策諮詢建議,為國家促進科學發展的宏觀決策提供重要依據｡本報告對國家各級科技決策部門､科研管理部門等具有連續的重要學術參考價值,可供國家各級科技決策和科研管理人員､科研院所科技研究人員､大專院校師生以及社會公眾閱讀和參考｡
中國科學院《2019科學發展報告》速覽
《2019 高技術發展報告》
中國科學院 編
北京：科學出版社，2020.1
ISBN 978-7-03-064290-5
《2019高技術發展報告》的主題是航空航天和海洋技術。報告綜述了2018年高技術發展動態，著重介紹了航空航天和海洋技術領域技術及其產業化新進展，分析了中國高技術產業國際競爭力和創新能力，探討了高技術與社會等社會普遍關注的重大問題，提出了世界科學、技術、工業革命趨勢，人 工智能產業發展前景，“十四五”戰略性新興產業發展，知識互聯網發展，新一輪科技革命和產業變革趨勢與影響等若干戰略思考。報告有助於政府部門和社會公眾瞭解高技術， 特別是航空航天和海洋技術發展及產業化動態，理解高技術對社會的影響。
世界科學、技術、工業革命趨勢分析 | 2019 高技術發展報告
中國科學院《2019 高技術發展報告》速覽
中國科學院《2019 高技術發展報告》觀點述要 | 乾貨
（本文編輯：劉四旦）
