2022年世界科技进展100项

摘要：

2022年世界科技进展100项，其中关于物质/材料/化学相关内容摘录如下：

一.物质世界

41.“四中子态”存在最明确证据
由数十个国家的科学家组成的联合团队发现了迄今“四中子态”（tetraneutron）奇异物质存在的最明确证据，相关论文6月22日发表于《自然》。20年前，科学家意外发现了一种奇异物质“四中子态”的存在迹象，该物质由4个中子组成。此次，国际联合团队找到了迄今“四中子态”存在的最明确证据。德国研究人员利用不同的粒子碰撞，制造出平常多出4个中子的氦原子，然后与质子碰撞，在碰撞后，只剩下四个中子，并且可以结合成一个“四中子态”。据悉，这一发现将有助于物理学家对核力本质的理论进行微调。这一成果入选两院院士评选的世界十大科技进展之一、《物理世界》十大突破之一。

42.中微子质量上限新纪录
德国国际氚中微子实验（KATRIN）打破了中微子物理学中与粒子物理学和宇宙学相关的一个重要“界限”——1电子伏特（eV）。德国科学家已获得了中微子质量新上限：0.8 eV，首次将中微子的质量推向sub-eV级，这使得KATRIN能以前所未有的精度限定了这一“宇宙轻量级”的质量。这将有助于发现超越标准模型的新物理定律。

43.中性原子量子计算进展：捕获原子的新方法
美国研究团队首次证明可以使用一种新型的小型化版本的“光镊”（一种使用激光束作为筷子来抓取原子的系统）捕获单个原子。研究团队使用了一个长约4毫米的方形玻璃晶片而非典型的透镜，上面印有数百万个高度只有几百纳米的柱子，它们共同充当微小的镜头。这些被称为超表面的压印表面聚焦激光以捕获、操纵和成像蒸汽中的单个原子。研究团队分别捕获了九个单一的铷原子。通过使用多个超表面或一个具有大视场的超表面来扩大规模，应该能够限制数百个单一原子，并且可以引领使用芯片级光学系统常规捕获原子阵列的方式。通过以精确的精度聚焦光，超表面可以将单个原子引导到特殊的量子态，为特定的原子捕获实验量身定制。

44.开创超冷化学新纪元
中国和美国科学家创造了第一个超冷多原子分子。尽管30多年来物理学家一直在将原子冷却到绝对零度以上的一小部分，并且第一个超冷双原子分子出现在2000年代中期，但制造包含3个或更多原子的超冷分子的目标依然是很难实现。中美科学家团队使用不同且互补的技术，分别制作了220nK的3原子钠钾分子样品和110µK的氢氧化钠样品。他们的成就为物理学和化学的新研究铺平了道路，超冷化学反应的研究、量子模拟的新形式以及基础科学的测试都得益于这些多原子分子平台，从而也更接近于实现。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。

45.首次确定由中子星合并合成的稀土
日本研究人员使用Aterui II进行了细致的数值模拟来计算千新星的光谱，确认了镧（La，原子序数57）和铈（Ce，原子序数58）这两种稀土元素在千新星的红外波段产生的吸收线。这些稀土可以很好地解释在GW170817千新星光谱中可见的吸收线的特征。这项研究首次能够直接识别出被称为镧和铈的稀土确实是中子星合并产生的。这次的研究结果表明，宇宙中存在重元素合成的证据可以直接从千新星光谱中获得。随着未来引力波观测的发展，我们预计会观察到更多的中子星合并现象。通过使用本研究中确立的方法，人类必将会大幅加深对宇宙中重元素起源的认知。

46.首次发现了神秘的“X”粒子
美国科学家借助机器学习算法，通过分析大型强子对撞机（LHC）2018年获得的130多亿次重离子碰撞产生的数据，首次发现了神秘的“X”粒子。这一最新发现有助科学家分析其结构并进一步揭示宇宙的奥秘。

47.世界上第一个室温连续波激光发射
日本科学家与Asahi Kasei公司合作，成功地进行了世界上第一个室温下的深紫外线激光二极管（deep－ultraviolet laser diode）（波长至UV－C区域）的连续波激光发射。这些结果发表在Applied Physics Letters上，代表着一项具有广泛应用潜力的技术向实际落地迈出了一步，包括灭菌和医学。

48.史上最冷的冷却物质
日本和美国科学家在实验室将镱原子冷却到绝对零度之上十亿分之一摄氏度，这一温度甚至比最深的深空还要冷，他们造出的冷却物质甚至比太空中已知最冷的区域——旋镖星云还要冷。

49.首次发现并证实玻色子奇异金属
中美科学家协同攻关，成功突破费米子体系的限制，首次在玻色子体系中诱导出奇异金属态。在宇宙中，基本粒子分为费米子与玻色子两种。其中，人类社会目前赖以生存的电子工业与器件发展几乎完全基于费米子体系，但由于能耗高、损耗大，物理尺寸已近极限，面临性能持续提升的瓶颈问题，无法满足快速增长的信息传输需求。而以高温超导体为代表的玻色子器件，具有完美的零损耗能量传递特性，有望带来电子信息工业的革命性变化。该研究成果入选两院院士评选的2022年中国十大科技进展之一。

 

二.新型材料

50.完美的光传输和吸收
奥地利和法国科学家团队创造了一种抗反射结构，可通过复杂介质实现完美传输；而以色列的一项研究，旨在开发一种“抗激光”，使任何材料都能从各种角度吸收所有光线。在第一项研究中，研究人员设计了一种抗反射层，该层经过数学优化以匹配波从物体前表面反射的方式。将这种结构放置在随机无序的介质前面可完全消除反射，并使物体对所有入射光波都是半透明的。在第二项研究中，团队开发了一种基于一组镜子和透镜的相干完美吸收器，可将入射光捕获在空腔内。由于精确计算的干涉效应，入射光束与镜子之间反射回来的光束发生干涉，使反射光束几乎完全消失。该研究成果入选《物理世界》十大突破之一。

51.首次成功使用DNA折叠法制造出分子马达
德国科学家首次成功使用DNA折叠法制造出了一款分子马达。这种由遗传物质制成的新型纳米马达可以自我组装并将电能转换为动能，可以开关，还能通过施加电场控制其转速和旋转方向，未来有望用于驱动化学反应。汽车、钻机等机器内的马达能帮人们完成日常生活中的各种任务，人体内也有天然分子马达在执行重要任务，如一种被称为ATP合成酶的马达蛋白产生三磷酸腺苷（ATP）分子，供人体短期储存和传递能量。天然分子马达不可或缺，但在微观尺度上重建机械性能与ATP合成酶相当的马达则非常困难。现在，研究人员借助DNA折叠术构建了一个能工作的纳米级旋转马达。

52.最小的工作齿轮
德国研究人员现在已经开发出世界上最小的工作齿轮。该装置由两个互锁的部件组成，包括一个结构像螺旋桨的三蝶烯分子，与之垂直的是一个像板子一样的硫靛分子的扁平部分。分子机器和纳米机器人在未来几十年可能会非常有用，有助于构建电子元件，在体内运输药物，或操纵单个细胞或分子。为此，科学家们已经开发了许多机器部件的纳米级版本，如电机、活塞、泵、扳手和螺旋桨。

53.安全且廉价的热电材料
法国研究人员开发出安全且廉价的热电材料，该材料由铜、锰、锗和硫组成，生产过程相当简单。他们使用球磨机简单将铜、锰、锗、硫粉末机械合金化，形成一个预结晶相，然后在600℃下烧结使其致密化，所生产的新型材料可将热能转化为电能且在400℃下仍能保持稳定。研究人员发现，用铜代替一小部分锰会产生复杂的微结构，具有相互连接的纳米域、缺陷和相干界面，会影响材料的电子和热传输特性。未来研究人员将进一步改进这种新型无毒热电材料，替代传统含铅、碲等有毒元素的材料。

54.6G通信元器件的“元表面”最佳纳米材料
韩国科研团队研发出可作为6G通信元器件的“元表面”新纳米材料。“元表面”材料是平面光学器件中新型的纳米结构材料，以二氧化钒为基础，呈透明状。实验表明，该二氧化钒“元表面”透明电极在保持一定的太赫兹波通过的同时，还可调谐电导率至数千倍左右，成为6G通信元件或太赫兹波、近红外线混合通信技术的最佳器件材料。该方法还可用于其他二维物质材料的研发和应用。

55.薄膜硅光伏电池吸收率创纪录
英国与荷兰科学家合作，借助一种纳米纹理结构，使薄膜硅光伏电池变得不透明并增强了其吸收太阳光的效率。实验表明这种薄膜电池能吸收65%的阳光，是迄今薄硅膜表现出的最高光吸收率，接近约70%的理论吸收极限，有望催生柔性、轻质且高效的硅光伏电池。

56.最佳半导体材料
美国研究团队发现，立方砷化硼兼具导电和导热优势，可能是迄今发现的最佳半导体材料，可在室温下实现从导体到绝缘体的“量子转换”，有助于开发新一代量子设备和超高效电子设备。该研究成果入选2022年《物理世界》十大突破之一。

57.新材料带来更强壮灵活人造肌肉
创建人造肌肉来完成工作并检测力和触觉，一直是科学和工程界的巨大挑战之一。美国研究团队利用市售化学品并采用紫外线光固化工艺，创造了一种改进的丙烯酸基材料，该材料更柔韧、可调节且更易于扩展，且没有损失其强度和耐用性。丙烯酸能形成更多的氢键，从而使材料更容易变形，但研究人员调整了聚合物链之间的交联，使弹性体更柔软、更灵活。然后将得到的薄薄的、可加工的高性能介电弹性体薄膜（PHDE）夹在两个电极之间，将电能转换为致动器的动能。

58.全球首块柔性有机发光二极管显示屏
美国研究人员使用定制打印机，3D打印出了首块柔性有机发光二极管显示屏，无需以往昂贵的微加工设备。研究人员开发出一种将电子电路直接印刷到弯曲和波纹表面上的新技术，并使用该技术制造了原型“智能”隐形眼镜、压敏乳胶手套和透明电极，这为各种新的柔性电子技术铺平了道路。

三.其他

59.首次实现基于液态金属颗粒组装网络的复合电极
韩国研究团队开发了一种在聚合物中制造导电液态金属颗粒网络的方法，并利用该方法实现了具有橡胶特性的可伸缩性印刷电路板。研究组利用超声波在高分子支撑体内组装液体金属粒子，形成了导电网络，并开发出了在伸缩过程中电阻不变的电极。由于这一点，它在世界上首次表明可应用于像橡胶一样自由变形的（增长5倍以上的）伸缩性印刷电路板上。研究团队证实，如果对绝缘性复合材料使用超声波，液态金属颗粒/聚合物/液体金属颗粒的界面上就会形成密集的纳米级液态金属颗粒，形成导电颗粒组装网络。

60.使用盐3D打印可降解聚合物
美国研究人员正在使用3D打印和盐来制造环保聚合物，这些聚合物会随着时间的推移而自然降解。为了制造可降解聚合物，科研人员使用二氧化碳和食盐来制造用于3D打印过程的墨水。打印后，用水清洗结构以溶解盐并固化结构。虽然结构的外部看起来仍然很光滑，但该过程会产生数千个小孔，使化合物能够以更快的速度降解。同时，聚合物主链上的烯烃侧基可以通过紫外线诱导的硫醇-烯表面官能化和交联进一步改性。随着研究的进展，研究人员希望利用这一过程来制造包装材料，这样盒子和胶带等物品就可以快速降解，而不是在未来几年内被埋在垃圾填埋场。
图片图｜通过一锅两步策略合成了具有定制热和机械性能的可降解CO 2基三嵌段聚碳酸酯。将NaCl颗粒分散在聚合物溶液中，可以配制和3D打印触变油墨。随后去除填料会产生多孔结构

61.3D打印出第一种高性能纳米结构合金
美国研究人员3D打印出了一种双相纳米结构高熵合金，其强度和延展性超过了其他最先进的增材制造材料。实验室团队将HEA与最先进的3D打印技术（称为激光粉末床融合）相结合，开发出具有前所未有性能的新材料。由于与传统冶金相比，该工艺能使材料非常迅速地熔化和凝固。在未来，利用3D打印技术和HEAs巨大的合金设计空间，为直接生产用于生物医学和航空航天应用的终端组件提供了大量机会。

62.3D打印技术可用光线创造玻璃微结构
美国研究人员开发了一种3D打印玻璃微结构的新方法。这种方法速度更快，生产的物体具有更高的光学质量、设计灵活性和强度。研究人员与德国科学家们合作，扩展了他们三年前开发的3D打印工艺——计算轴向光刻技术（CAL）的能力，以打印更精细的特征，并在玻璃中打印。他们把这个新系统称为“micro-CAL”。通过micro-CAL，可以在聚合物中打印物体，其特征小到约2000万分之一米，约为人类头发宽度的四分之一。而且，这种方法不仅可以在聚合物中打印，还可以在玻璃中打印，其特征可缩小至约五千万分之一米。

63.新型流式按需合成系统
日本首次成功开发出以氯仿为前体的新型流式按需合成系统，使用这个系统能够合成光气衍生的化学产品。此外，他们实现了超过96%的高转化率，在短时间内（一分钟或更短的曝光时间）合成了这些有用的化合物。该系统具有多重优势，安全、廉价且简单，对环境影响小，可用于合成各种化工产品并连续大量生产。研究人员预计，该系统可以在不久的将来扩大为工业生产的模型系统。

64.最快的光电开关
德国和奥地利科学家团队，定义和探索了物理设备中光电开关的“速度限制”。该团队使用仅持续一飞秒（10的负15次方秒）的激光脉冲以实现每秒运行1000万亿次（1拍赫兹）的开关所需的速度，将介电材料样品从绝缘状态切换为导电状态。尽管驱动这种超快速开关所需的公寓大小的设备意味着它不会很快出现在实际应用中，但结果暗示了经典信号处理的基本限制，并表明拍赫兹固态光电技术在原则上是可行的。此项成果入选《物理世界》十大突破之一。

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