2022年世界科技進展100項

摘要：

2022年世界科技進展100項，其中關于物質/材料/化學相關內容摘錄如下：

一.物質世界

41.“四中子態”存在最明確證據
由數十個國家的科學家組成的聯合團隊發現了迄今“四中子態”（tetraneutron）奇異物質存在的最明確證據，相關論文6月22日發表于《自然》。20年前，科學家意外發現了一種奇異物質“四中子態”的存在跡象，該物質由4個中子組成。此次，國際聯合團隊找到了迄今“四中子態”存在的最明確證據。德國研究人員利用不同的粒子碰撞，制造出平常多出4個中子的氦原子，然后與質子碰撞，在碰撞后，只剩下四個中子，并且可以結合成一個“四中子態”。據悉，這一發現將有助于物理學家對核力本質的理論進行微調。這一成果入選兩院院士評選的世界十大科技進展之一、《物理世界》十大突破之一。

42.中微子質量上限新紀錄
德國國際氚中微子實驗（KATRIN）打破了中微子物理學中與粒子物理學和宇宙學相關的一個重要“界限”——1電子伏特（eV）。德國科學家已獲得了中微子質量新上限：0.8 eV，首次將中微子的質量推向sub-eV級，這使得KATRIN能以前所未有的精度限定了這一“宇宙輕量級”的質量。這將有助于發現超越標準模型的新物理定律。

43.中性原子量子計算進展：捕獲原子的新方法
美國研究團隊首次證明可以使用一種新型的小型化版本的“光鑷”（一種使用激光束作為筷子來抓取原子的系統）捕獲單個原子。研究團隊使用了一個長約4毫米的方形玻璃晶片而非典型的透鏡，上面印有數百萬個高度只有幾百納米的柱子，它們共同充當微小的鏡頭。這些被稱為超表面的壓印表面聚焦激光以捕獲、操縱和成像蒸汽中的單個原子。研究團隊分別捕獲了九個單一的銣原子。通過使用多個超表面或一個具有大視場的超表面來擴大規模，應該能夠限制數百個單一原子，并且可以引領使用芯片級光學系統常規捕獲原子陣列的方式。通過以精確的精度聚焦光，超表面可以將單個原子引導到特殊的量子態，為特定的原子捕獲實驗量身定制。

44.開創超冷化學新紀元
中國和美國科學家創造了第一個超冷多原子分子。盡管30多年來物理學家一直在將原子冷卻到絕對零度以上的一小部分，并且第一個超冷雙原子分子出現在2000年代中期，但制造包含3個或更多原子的超冷分子的目標依然是很難實現。中美科學家團隊使用不同且互補的技術，分別制作了220nK的3原子鈉鉀分子樣品和110μK的氫氧化鈉樣品。他們的成就為物理學和化學的新研究鋪平了道路，超冷化學反應的研究、量子模擬的新形式以及基礎科學的測試都得益于這些多原子分子平臺，從而也更接近于實現。該項成果入選《物理世界》十大突破之一。

45.首次確定由中子星合并合成的稀土
日本研究人員使用Aterui II進行了細致的數值模擬來計算千新星的光譜，確認了鑭（La，原子序數57）和鈰（Ce，原子序數58）這兩種稀土元素在千新星的紅外波段產生的吸收線。這些稀土可以很好地解釋在GW170817千新星光譜中可見的吸收線的特征。這項研究首次能夠直接識別出被稱為鑭和鈰的稀土確實是中子星合并產生的。這次的研究結果表明，宇宙中存在重元素合成的證據可以直接從千新星光譜中獲得。隨著未來引力波觀測的發展，我們預計會觀察到更多的中子星合并現象。通過使用本研究中確立的方法，人類必將會大幅加深對宇宙中重元素起源的認知。

46.首次發現了神秘的“X”粒子
美國科學家借助機器學習算法，通過分析大型強子對撞機（LHC）2018年獲得的130多億次重離子碰撞產生的數據，首次發現了神秘的“X”粒子。這一最新發現有助科學家分析其結構并進一步揭示宇宙的奧秘。

47.世界上第一個室溫連續波激光發射
日本科學家與Asahi Kasei公司合作，成功地進行了世界上第一個室溫下的深紫外線激光二極管（deep－ultraviolet laser diode）（波長至UV－C區域）的連續波激光發射。這些結果發表在Applied Physics Letters上，代表著一項具有廣泛應用潛力的技術向實際落地邁出了一步，包括滅菌和醫學。

48.史上最冷的冷卻物質
日本和美國科學家在實驗室將鐿原子冷卻到絕對零度之上十億分之一攝氏度，這一溫度甚至比最深的深空還要冷，他們造出的冷卻物質甚至比太空中已知最冷的區域——旋鏢星云還要冷。

49.首次發現并證實玻色子奇異金屬
中美科學家協同攻關，成功突破費米子體系的限制，首次在玻色子體系中誘導出奇異金屬態。在宇宙中，基本粒子分為費米子與玻色子兩種。其中，人類社會目前賴以生存的電子工業與器件發展幾乎完全基于費米子體系，但由于能耗高、損耗大，物理尺寸已近極限，面臨性能持續提升的瓶頸問題，無法滿足快速增長的信息傳輸需求。而以高溫超導體為代表的玻色子器件，具有完美的零損耗能量傳遞特性，有望帶來電子信息工業的革命性變化。該研究成果入選兩院院士評選的2022年中國十大科技進展之一。

 

二.新型材料

50.完美的光傳輸和吸收
奧地利和法國科學家團隊創造了一種抗反射結構，可通過復雜介質實現完美傳輸；而以色列的一項研究，旨在開發一種“抗激光”，使任何材料都能從各種角度吸收所有光線。在第一項研究中，研究人員設計了一種抗反射層，該層經過數學優化以匹配波從物體前表面反射的方式。將這種結構放置在隨機無序的介質前面可完全消除反射，并使物體對所有入射光波都是半透明的。在第二項研究中，團隊開發了一種基于一組鏡子和透鏡的相干完美吸收器，可將入射光捕獲在空腔內。由于精確計算的干涉效應，入射光束與鏡子之間反射回來的光束發生干涉，使反射光束幾乎完全消失。該研究成果入選《物理世界》十大突破之一。

51.首次成功使用DNA折疊法制造出分子馬達
德國科學家首次成功使用DNA折疊法制造出了一款分子馬達。這種由遺傳物質制成的新型納米馬達可以自我組裝并將電能轉換為動能，可以開關，還能通過施加電場控制其轉速和旋轉方向，未來有望用于驅動化學反應。汽車、鉆機等機器內的馬達能幫人們完成日常生活中的各種任務，人體內也有天然分子馬達在執行重要任務，如一種被稱為ATP合成酶的馬達蛋白產生三磷酸腺苷（ATP）分子，供人體短期儲存和傳遞能量。天然分子馬達不可或缺，但在微觀尺度上重建機械性能與ATP合成酶相當的馬達則非常困難。現在，研究人員借助DNA折疊術構建了一個能工作的納米級旋轉馬達。

52.最小的工作齒輪
德國研究人員現在已經開發出世界上最小的工作齒輪。該裝置由兩個互鎖的部件組成，包括一個結構像螺旋槳的三蝶烯分子，與之垂直的是一個像板子一樣的硫靛分子的扁平部分。分子機器和納米機器人在未來幾十年可能會非常有用，有助于構建電子元件，在體內運輸藥物，或操縱單個細胞或分子。為此，科學家們已經開發了許多機器部件的納米級版本，如電機、活塞、泵、扳手和螺旋槳。

53.安全且廉價的熱電材料
法國研究人員開發出安全且廉價的熱電材料，該材料由銅、錳、鍺和硫組成，生產過程相當簡單。他們使用球磨機簡單將銅、錳、鍺、硫粉末機械合金化，形成一個預結晶相，然后在600℃下燒結使其致密化，所生產的新型材料可將熱能轉化為電能且在400℃下仍能保持穩定。研究人員發現，用銅代替一小部分錳會產生復雜的微結構，具有相互連接的納米域、缺陷和相干界面，會影響材料的電子和熱傳輸特性。未來研究人員將進一步改進這種新型無毒熱電材料，替代傳統含鉛、碲等有毒元素的材料。

54.6G通信元器件的“元表面”最佳納米材料
韓國科研團隊研發出可作為6G通信元器件的“元表面”新納米材料。“元表面”材料是平面光學器件中新型的納米結構材料，以二氧化釩為基礎，呈透明狀。實驗表明，該二氧化釩“元表面”透明電極在保持一定的太赫茲波通過的同時，還可調諧電導率至數千倍左右，成為6G通信元件或太赫茲波、近紅外線混合通信技術的最佳器件材料。該方法還可用于其他二維物質材料的研發和應用。

55.薄膜硅光伏電池吸收率創紀錄
英國與荷蘭科學家合作，借助一種納米紋理結構，使薄膜硅光伏電池變得不透明并增強了其吸收太陽光的效率。實驗表明這種薄膜電池能吸收65%的陽光，是迄今薄硅膜表現出的最高光吸收率，接近約70%的理論吸收極限，有望催生柔性、輕質且高效的硅光伏電池。

56.最佳半導體材料
美國研究團隊發現，立方砷化硼兼具導電和導熱優勢，可能是迄今發現的最佳半導體材料，可在室溫下實現從導體到絕緣體的“量子轉換”，有助于開發新一代量子設備和超高效電子設備。該研究成果入選2022年《物理世界》十大突破之一。

57.新材料帶來更強壯靈活人造肌肉
創建人造肌肉來完成工作并檢測力和觸覺，一直是科學和工程界的巨大挑戰之一。美國研究團隊利用市售化學品并采用紫外線光固化工藝，創造了一種改進的丙烯酸基材料，該材料更柔韌、可調節且更易于擴展，且沒有損失其強度和耐用性。丙烯酸能形成更多的氫鍵，從而使材料更容易變形，但研究人員調整了聚合物鏈之間的交聯，使彈性體更柔軟、更靈活。然后將得到的薄薄的、可加工的高性能介電彈性體薄膜（PHDE）夾在兩個電極之間，將電能轉換為致動器的動能。

58.全球首塊柔性有機發光二極管顯示屏
美國研究人員使用定制打印機，3D打印出了首塊柔性有機發光二極管顯示屏，無需以往昂貴的微加工設備。研究人員開發出一種將電子電路直接印刷到彎曲和波紋表面上的新技術，并使用該技術制造了原型“智能”隱形眼鏡、壓敏乳膠手套和透明電極，這為各種新的柔性電子技術鋪平了道路。

三.其他

59.首次實現基于液態金屬顆粒組裝網絡的復合電極
韓國研究團隊開發了一種在聚合物中制造導電液態金屬顆粒網絡的方法，并利用該方法實現了具有橡膠特性的可伸縮性印刷電路板。研究組利用超聲波在高分子支撐體內組裝液體金屬粒子，形成了導電網絡，并開發出了在伸縮過程中電阻不變的電極。由于這一點，它在世界上首次表明可應用于像橡膠一樣自由變形的（增長5倍以上的）伸縮性印刷電路板上。研究團隊證實，如果對絕緣性復合材料使用超聲波，液態金屬顆粒/聚合物/液體金屬顆粒的界面上就會形成密集的納米級液態金屬顆粒，形成導電顆粒組裝網絡。

60.使用鹽3D打印可降解聚合物
美國研究人員正在使用3D打印和鹽來制造環保聚合物，這些聚合物會隨著時間的推移而自然降解。為了制造可降解聚合物，科研人員使用二氧化碳和食鹽來制造用于3D打印過程的墨水。打印后，用水清洗結構以溶解鹽并固化結構。雖然結構的外部看起來仍然很光滑，但該過程會產生數千個小孔，使化合物能夠以更快的速度降解。同時，聚合物主鏈上的烯烴側基可以通過紫外線誘導的硫醇-烯表面官能化和交聯進一步改性。隨著研究的進展，研究人員希望利用這一過程來制造包裝材料，這樣盒子和膠帶等物品就可以快速降解，而不是在未來幾年內被埋在垃圾填埋場。
圖片圖｜通過一鍋兩步策略合成了具有定制熱和機械性能的可降解CO 2基三嵌段聚碳酸酯。將NaCl顆粒分散在聚合物溶液中，可以配制和3D打印觸變油墨。隨后去除填料會產生多孔結構

61.3D打印出第一種高性能納米結構合金
美國研究人員3D打印出了一種雙相納米結構高熵合金，其強度和延展性超過了其他最先進的增材制造材料。實驗室團隊將HEA與最先進的3D打印技術（稱為激光粉末床融合）相結合，開發出具有前所未有性能的新材料。由于與傳統冶金相比，該工藝能使材料非常迅速地熔化和凝固。在未來，利用3D打印技術和HEAs巨大的合金設計空間，為直接生產用于生物醫學和航空航天應用的終端組件提供了大量機會。

62.3D打印技術可用光線創造玻璃微結構
美國研究人員開發了一種3D打印玻璃微結構的新方法。這種方法速度更快，生產的物體具有更高的光學質量、設計靈活性和強度。研究人員與德國科學家們合作，擴展了他們三年前開發的3D打印工藝——計算軸向光刻技術（CAL）的能力，以打印更精細的特征，并在玻璃中打印。他們把這個新系統稱為“micro-CAL”。通過micro-CAL，可以在聚合物中打印物體，其特征小到約2000萬分之一米，約為人類頭發寬度的四分之一。而且，這種方法不僅可以在聚合物中打印，還可以在玻璃中打印，其特征可縮小至約五千萬分之一米。

63.新型流式按需合成系統
日本首次成功開發出以氯仿為前體的新型流式按需合成系統，使用這個系統能夠合成光氣衍生的化學產品。此外，他們實現了超過96%的高轉化率，在短時間內（一分鐘或更短的曝光時間）合成了這些有用的化合物。該系統具有多重優勢，安全、廉價且簡單，對環境影響小，可用于合成各種化工產品并連續大量生產。研究人員預計，該系統可以在不久的將來擴大為工業生產的模型系統。

64.最快的光電開關
德國和奧地利科學家團隊，定義和探索了物理設備中光電開關的“速度限制”。該團隊使用僅持續一飛秒（10的負15次方秒）的激光脈沖以實現每秒運行1000萬億次（1拍赫茲）的開關所需的速度，將介電材料樣品從絕緣狀態切換為導電狀態。盡管驅動這種超快速開關所需的公寓大小的設備意味著它不會很快出現在實際應用中，但結果暗示了經典信號處理的基本限制，并表明拍赫茲固態光電技術在原則上是可行的。此項成果入選《物理世界》十大突破之一。

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