黄龙光 边文越 张超星 冷伏海
(中国科学院科技战略咨询研究院)
2018年基础前沿领域取得多项突破:超导､粒子物理､量子技术等领域取得重大突破,自动合成+人工智能正在改变传统有机合成,简单有效的纳米材料制备方法助力多领域的发展｡
一､重要研究进展
01
超导､粒子物理､量子技术等领域取得重大突破
▋ 超导研究收获新思路与重大突破｡
美国麻省理工学院等发现两层石墨烯以1.1°的“魔角”扭曲在一起时会形成莫特绝缘体态和实现非常规超导电性,为超导研究带来了新思路｡
日本名古屋大学等首次发现超导准晶体,通过改变特殊金属合金中元素的比例创造出温度低于0.05K的超导准晶体,证实准晶体中可能存在超导性的设想,可能导致超导新材料的出现｡
中国科学院物理研究所等首次在超导块体材料中观测到马约拉纳任意子,并且能在相对高的温度下实现,为马约拉纳物理的研究开辟新的方向｡
▋ 粒子物理研究成果丰硕｡
“冰立方”中微子天文台将其捕捉到的高能中微子成功溯源到一个距地球约37.8亿光年的耀变体,首次精确定位“幽灵粒子”起源,为人类认识宇宙提供一种新方法｡
美国费米国家加速器实验室MinibooNE 实验发现与已知的三个中微子味(电子味､μ子味､τ子味)不相符的信号,再次引发关于惰性中微子的争论｡
加拿大和欧洲核子研究中心(CERN)首次实现反氢内基准能量跃迁,向冷却和操纵反氢原子迈进了一步｡
欧洲核子研究中心完成迄今最精准反物质光谱检测,将反物质的高精度检测向前推进了一大步｡
欧洲核子研究中心探测到希格斯玻色子与顶夸克的相互作用｡
中国“超级显微镜”散裂中子源投入运行｡
日本理化学研究所等理论预言存在新粒子双重子态粒子“ΩΩ”｡
美国亚利桑那州立大学等观察到第一批恒星形成时期的氢气吸收信号可深入了解暗物质的性质｡
▋ 量子技术发展迅猛｡
中国科学技术大学等利用“墨子”号量子科学实验卫星卫星首次实现世界洲际量子密钥分发,标志着“墨子”号已经具备实现洲际量子保密通信的能力｡
澳大利亚设计的“量子开关”验证出不确定的因果顺序,可能对处理量子信息有用｡
英特尔公司成功设计交付49量子比特(quantum bit,qubit)超导芯片,谷歌公司公布72量子比特芯片｡
中国科学技术大学在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,奥地利实现20量子比特系统内受控的多粒子纠缠｡
美国研发出生成真正随机数的量子力学新方法,中国科学技术大学在国际上首次实现器件无关的量子随机数｡
▋ 物理常数的更新将促进更先进的研究｡
国际单位制基本单位中的千克､安培､开尔文､摩尔将分别改由普朗克常数､基本电荷常数､玻尔兹曼常数､阿伏伽德罗常数定义｡
华中科技大学测出目前国际上最精准的万有引力常数｡
02
自动合成+人工智能正在改变传统有机合成
▋ 自动合成+人工智能正在改变传统有机合成｡
英国格拉斯哥大学和美国麻省理工学院研究人员分别开发出集人工智能､自动合成､分析检测于一身的智能合成系统,只需通过随机运行少数反应并将结果供智能算法学习,就可准确预测反应或优化反应条件｡
美国辉瑞公司和默克公司研究人员竞相开发自动化高通量化学反应筛选平台｡
默克公司研究人员充分发挥平台快速收集大量反应数据的优势,与普林斯顿大学研究人员合作利用数据训练人工智能算法,可准确预测反应收率｡
▋ 有机合成技术不断创新｡
美国研究人员结合光催化和酶催化,使烯烃发生异构化并进行碳碳双键还原｡
美国普林斯顿大学研究人员结合光致氧化还原催化和过渡金属催化,实现了脂环烃惰性碳氢键的芳基化｡
中国上海科技大学研究人员开发了一种廉价､高效的铈基催化剂和醇催化剂的协同催化体系,可利用光能在室温下将甲烷一步转化为高附加值的液态产品｡
美国加州理工学院研究人员通过对细胞色素P450进行定向进化,使其能高效催化碳氢键官能团化和高张力碳环合成｡
美国研究人员开发出一种手性膦试剂,可高立体选择性合成硫代磷酸寡核苷酸,有望推动小核酸药物发展｡
美国哈佛大学研究人员报道了通过SＮ1亲核取代反应高对映选择性合成具有季碳手性中心化合物｡
▋ 化学助力节能环保｡
美国麻省理工学院研究人员开发了一种可用于合成多种含磷化合物的新型磷试剂,从而减少白磷的使用｡
美国伊利诺伊大学研究人员开发了新的前端聚合策略,可大幅降低合成热固性聚合物的时间和能耗｡
中美科学家合作制备了一种含铁过氧位点的金属有机框架化合物(Fe₂ (O₂)(dobdc)),仅需单次循环便能从乙烷/乙烯混合物中分离获得聚合物级纯度乙烯｡
中国南开大学研究人员制备了具有高效､宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件,光电转化效率达到17.3%｡
▋ 分析表征能力取得突破｡
美国和瑞士研究人员分别开发了利用电子显微镜快速解析有机小分子结构的新技术,分辨率可达到1Å｡
美国康奈尔大学研究人员刷新了电镜分辨率世界纪录,将其提高至0.39Å｡
中国北京大学研究人员首次获得离子水合物的原子级分辨图像｡
(5)钙钛矿光电材料研究非常活跃｡
在钙钛矿太阳能电池方面,中国科学院半导体研究所研究人员创造了研究单元光电转换效率的纪录(23.7% ),日本东芝公司研究人员创造了模块(703cm²)效率的纪录11.7% ｡
在钙钛矿基LED方面,英国剑桥大学研究人员把内部发光效率提升至接近100% ,中国南京工业大学研究人员把外量子效率提高至20.7%｡
中国和新加坡研究人员合作发现了一类全无机钙钛矿纳米晶闪烁体,可实现超灵敏X 射线检测｡
中国东南大学研究人员制备了世界首例无金属钙钛矿铁电体,并首次发现手性对映体铁电体｡
此外,美国哈佛大学研究人员精准操控两个原子合成一个分子｡
中国复旦大学研究人员发现钙､锶和钡可形成稳定的八羰基化合物分子,满足18电子规则,表现出典型的过渡金属成键特性｡
日本和瑞典研究人员证实水存在两种液相｡
美国桑迪亚国家实验室研究人员揭示了气态燃料燃烧生成烟黑颗粒的化学过程｡
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美国研究人员利用金刚石产生巨大压强断裂化学键｡
美国加州理工学院研究人员开发了在接近零重力条件下光解水制氢气和氧气技术,有望用于长期星际飞行｡
03
纳米材料助力多领域的发展,简单有效的制备方法层出不穷
▋ 纳米材料在生物医学领域大放光彩｡
美国芝加哥大学以纳米金属有机框架化合物(Fe-TBP)为光敏剂,克服了光动力学疗法的肿瘤缺氧问题,可使90% 的肿瘤退化,提高肿瘤的免疫治疗效果｡
牛津大学一步法合成了超顺磁性镍胶体纳米晶体簇,表现出对革兰氏阳性和阴性细菌及细菌孢子的抗菌和捕获能力｡
康奈尔大学借助硫酸化的吲哚菁的自组装制备了载药量高达90% 的靶向药物载体纳米粒子,并设计了预测模型,使纳米药物计算设计成为可能｡
中国深圳大学与美国加州大学洛杉矶分校合成了新型氢化钯纳米材料,实现了光热成像/光声成像引导氢热治疗,可潜在地对多种肿瘤实现高效､低毒的治疗｡
▋ 纳米催化剂在水裂解析氢领域发挥了重要作用｡
美国得克萨斯大学奥斯汀分校利用制备的NiCoA (A=P,Se,O)多孔纳米片实现了水裂解的0V 起始过电位,可在1.56V 下实现全解水｡
中国中山大学通过弱化聚苯胺/磷化钴杂化纳米线电催化剂表面上氢离子的束缚方式,实现了该纳米线的类铂析氢电催化｡
西安交通大学联合美国加利福尼亚大学利用水热法合成了超细Pt—M (M=Ni,Co,Fe)合金纳米线,3μg的Pt实现了75.3mA/cm²的析氢活性｡
▋ 纳米材料助力电池性能提升｡
中国北京科技大学利用静电纺丝技术将磷铁钠矿纳米粒子镶嵌入多孔氮掺杂的碳纳米纤维,制备了可直接用于钠离子电池的正极材料｡
华中科技大学及同济大学等机构开发了可作为自立式双功能电极的核壳结构碳基纳米材料(吡啶为主)｡
新加坡南洋理工大学以球磨纳米硅粉为原料,通过自上而下锂化/脱锂过程制备出可用于可充锂氧电池寡层硅烯状纳米片｡
▋ 新颖的制备方法､新材料及新现象不断出现｡
美国路易斯安那州立大学通过连续吸附异金属双络合盐的方法合成了10种不同的负载型双金属纳米粒子｡
中国科学院化学研究所采用快速生长技术(5s)获得了高质量的过渡金属二卤化物纳米卷｡
美国加州大学伯克利分校联合劳伦斯伯克利国家实验室等机构合成了一维过渡金属三硫族化物NbSe₃链｡
哥伦比亚大学及得克萨斯大学埃尔帕索分校通过合成三叶螺旋桨纳米结构,制备出高性能光电子材料三维(3D)石墨烯｡
韩国首尔大学和浦项工程大学利用手性氨基酸和肽控制金纳米颗粒的生长的方式制备出单一手性三维金纳米颗粒｡
二､重要战略规划
美国､欧盟､日本､英国､德国等全面开展量子技术战略,美国探讨未来暗物质研究优先方向,欧盟为“地平线欧洲”计划确定关键使能技术,日本部署纳米技术和材料研发战略,以更好地抢占未来基础研究的重大突破和技术进步的先机｡（略）
三､发展启示建议
01
加强基础前沿领域战略研判
基础前沿领域不断取得重大突破,正在开辟新前沿新方向｡高温超导､中微子､暗物质､量子技术等方向迅猛发展,同时也在探索更好的思路和实现路径｡进一步把握基础前沿领域的重要研究进展和重要战略规划,通过综合分析与专家研判相结合,加强基础前沿领域的战略研判,有助于把握基础前沿领域发展大势,为国家科技决策和科研活动的开展提供准确､前瞻､及时的建议｡
02
高度重视化学的基础性作用,积极布局智能自动合成等前沿研究
作为一门以物质合成为主的学科,化学为物理､生物､材料､能源､环境､信息等学科的发展提供了坚实基础｡合成化学又是化学的基础｡传统的人工､间歇式合成方法正在遭受自动合成+人工智能的挑战｡合成化学一旦实现智能化､自动化,将极大地提高科学研究水平,推动生产力发展｡因此,建议我国高度重视自动合成+人工智能研究,部署重大研究项目､工程,组织相关力量(信息､自动化､化学等)跨学科协作研究,重点研究有机合成数据库建设､合成路线智能设计算法､高效化学反应､自动合成和检测等关键技术｡
致谢:中国科学院化学研究所张建玲研究员对本文初稿进行了审阅并提出了宝贵的修改意见,特致感谢!
参考文献（略）
本文摘编自《2019科学发展报告》（中国科学院 编. 北京：科学出版社，2020.01）一书“第四章 科技领域发展观察”，有删减，标题为编者所加。
中国科学院年度报告系列
《2019科学发展报告》
中国科学院 编
北京：科学出版社，2020.01
ISBN 978-7-03-064608-8
本报告是中国科学院发布的年度系列报告《科学发展报告》的第22部,旨在全面综述和分析2018年度国际科学研究前沿进展动态,研判和展望国际重要科学领域研究发展趋势,揭示和洞察科技创新突破及快速应用的重大经济社会影响,报道和介绍我国科学家具有代表性的重要科学研究成果,观察和综述国际主要科技领域科学研究进展及科技战略规划与研究布局,概括和介绍我国科学研究整体发展状况,并向国家决策部门提出有关中国科学的发展战略和科技政策咨询建议,为国家促进科学发展的宏观决策提供重要依据｡本报告对国家各级科技决策部门､科研管理部门等具有连续的重要学术参考价值,可供国家各级科技决策和科研管理人员､科研院所科技研究人员､大专院校师生以及社会公众阅读和参考｡
中国科学院《2019科学发展报告》速览
《2019 高技术发展报告》
中国科学院 编
北京：科学出版社，2020.1
ISBN 978-7-03-064290-5
《2019高技术发展报告》的主题是航空航天和海洋技术。报告综述了2018年高技术发展动态，着重介绍了航空航天和海洋技术领域技术及其产业化新进展，分析了中国高技术产业国际竞争力和创新能力，探讨了高技术与社会等社会普遍关注的重大问题，提出了世界科学、技术、工业革命趋势，人 工智能产业发展前景，“十四五”战略性新兴产业发展，知识互联网发展，新一轮科技革命和产业变革趋势与影响等若干战略思考。报告有助于政府部门和社会公众了解高技术， 特别是航空航天和海洋技术发展及产业化动态，理解高技术对社会的影响。
世界科学、技术、工业革命趋势分析 | 2019 高技术发展报告
中国科学院《2019 高技术发展报告》速览
中国科学院《2019 高技术发展报告》观点述要 | 干货
（本文编辑：刘四旦）
