2021年世界科技进展100项（物质、材料、化学领域）

本文系统梳理了2021年在全球范围内取得的100项科技进展，主要分布于“生命、生物、医药健康”“深空、深海、新空间拓展”“物质、材料、化学”“智能、信息、通信”以及“生态能源、交通与建设工程”五大领域。

2021年世界科技进展100项 （物质、材料、化学领域）

• 其他
  • 同时发射30束激光表现为单一相干光源
    • 德国科学家开发了一个由30台垂直腔面激光发射器（VCSELs）组成的阵列。这30台发射器一起发射激光时，整体表现为单一相干光源。这项成就为后续的大规模、高功率应用铺平了道路。这个研究团队利用拓扑学原理确保阵列中每台发射器发射的激光都会流经其他所有发射器，这样一来，30束激光的频率就会保持一致。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
  • FAST捕获世界最大快速射电暴样本
    • 快速射电暴（FRB）是无线电波段宇宙最明亮的爆发现象。FRB 121102是人类所知的第一个重复快速射电暴，中国科学家使用“中国天眼”FAST成功捕捉到FRB 121102的极端活动期，最剧烈时段达到每小时122次爆发，累计获取了1652个高信噪比的爆发信号，构成目前最大的FRB爆发事件集合。该研究首次展现了FRB的完整能谱，深入揭示了FRB的基础物理机制。该项成果入选2021年中国科学十大进展之一。
  • 中国制冷机成功实现零下273.1391℃
    • 中国自主研发的无液氦稀释制冷机成功实现10mK（绝对零度以上0.01度）以下极低温运行。这标志着中国在高端极低温仪器研制上取得了突破性的进展。该项成果入选2021年中国十大科技进展新闻
• 新型材料
  • 新纳米材料吸水速度提升6倍
    • 新加坡研究人员制作出了一种全新纳米吸水材料 Co-SHM，这种薄膜状的材料能够使皮肤上的汗水快速蒸发，其吸水量是传统材料的 15 倍，吸水速度则是传统材料的 6 倍。并利用水驱动发电技术，将人体汗液中的水分收集起来，为手表、健身追踪器等可穿戴电子设备供电。
    • WEHD 的原理图工作机制
  • 高质量冰单晶微纳光纤实现10.9%的弹性应变
    • 中美研究人员联合发现当冰生长成单晶微纳光纤时，就可以灵活弯曲，并且具有和玻璃光纤类似的性能，且能以较低的损耗传输光。
    • 子主题
  • 实现金刚石阵列深度弹性应变
    • 中美科学家经研究发现钻石这种“最硬的”材料不仅可以弯曲，甚至还可发生弹性变形。他们通过相对较大的样本展示了金刚石微桥阵列如何实现同步的深弹性应变。而超大的、高度可控的弹性应变，则能从根本上改变金刚石的能带结构，最终计算出带隙在某特定取向上最多可减小约 2 eV（电子伏特），上述发现将对金刚石的电子应用产生重大影响，或开启微电子、量子应用新时代。
    • 金刚石阵列样品在原位拉伸下发生均匀弹性应变
  • 全世界最硬的玻璃
    • 中国研究团队研制出了一种全新的玻璃材料——不仅硬度超过了金刚石，并且具备金刚石不具备的韧性，以及半导体特性。研究团队使用的原材料是富勒烯（C60）。富勒烯的碳原子都是sp2杂化，结构规整，具有高度的对称性。因此，在800℃下，5GPa的压力就足以破坏富勒烯高度对称的结构。
    • 富勒烯C60
  • 中国科学家攻克塑料降解难题
    • 中国科学家研发一项新技术——无需特殊条件，一天到几周内就能完全降解塑料。研究人员将酶介入到塑料诞生的初始阶段，让其作为生产塑料的原料。具体生产塑料时，只要保证酶的功能不变，当制备出来的塑料结束使用用途、并进行再回收时，只要遇水遇热，就能唤醒酶的降解能力。
    • 36 小时后降解
  • 增材制造新路线实现航天着陆器承载、隔热、减震三位一体
    • 行星着陆器的“大底”部件的传统加工制造，一般要经过多种工艺步骤的不断尝试和耦合，目前仍面临着结构选择和材料选择有限、过程复杂、性能&功能不足等局限。基于此，中国研究人员革新传统串联式的增材制造路线，并提出“材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）的概念，从而实现在复杂整体构件内部，同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，最终可实现相关构件的高性能和多功能。
    • 材料–结构–性能一体化增材制造（MSPI-AM）的概念及内涵
  • 世界“最白”油漆
    • 在寻找遏制全球气候变暖的方法上，科学家从未停止他们的步伐。美国研究团队研发了一种可以辐射制冷的硫酸钡超白漆，这种油漆不仅能反射 98.1% 的太阳辐射，还成为 “最白”的油漆。
  • 无源制冷超材料织物
    • 中国研究团队基于辐射制冷原理和形态分级设计理念，通过光学、织造技术的跨领域多学科协同创新，联合研发了一种无源随身“空调”——在阳光直射的室外环境下，可无源制冷的光学超材料织物（Metafabric）。该技术对多尺度光学层级结构进行优化，能有效调谐超材料织物在太阳光谱上精准的光学响应，并将黑体辐射达到极限，展现了相较于以往工作更优异的功能。具备零能耗、低成本、可产业化批量生产等特征，适合大规模推广制备和产业化应用。
    • 超材料织物示意图
• 材料与化学
  • 史上最冷反物质问世
    • 加拿大科学家团队在日内瓦进行了一项名为ALPHA-2的反氢捕获实验，演示了反氢原子的激光冷却，将样品冷却到了接近绝对零度。该研究产生了比以往任何时候都更冷的反物质，并使一种全新的实验成为可能，有助于科学家在未来更多地了解反物质。此项研究入选两院院士评选的2021年世界十大科技进展新闻。
  • 首次发现地球内部的超离子态矿物相
    • 中国科学家团队使用理论计算和实验相结合的方法首次发现了地球深部的超离子态——含水矿物羟基氧化铁(FeO2H)会在压力大约75万大气压，温度高于1500摄氏度的条件时进入超离子态。这个温度和压力范围覆盖了下地幔深部的大部分区域。
    • 深下地幔高导电的超离子态
  • 粒子冷却新技术
    • 欧洲核子研究中心团队通过两项独立的研究得到了冷却粒子和反粒子的新方法。这些技术为精确检验宇宙物质-反物质不对称性的研究打下了基础。反氢激光物理装置的研究人员首次证明，可以用激光冷却反氢原子。为此，他们开发了一种能够产生121.6纳米脉冲的新型激光，以冷却反原子。随后，他们又以前所未有的精确度测量了反氢原子中的一项关键电子跃迁。这一突破为日后进一步检验反物质的其他关键特性奠定了基础。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
  • 中国科学家观测到最高能量光子
    • 中国科学家依托“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”，在银河系内发现12个超高能宇宙线加速器，并记录到能量达1.4拍电子伏（PeV，拍=千万亿）的伽马光子，这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，揭示了银河系内普遍存在能够把粒子加速到超过1PeV的宇宙线加速器，开启了“超高能伽马天文”观测时代。该项成果入选2021年中国十大科技进展新闻。
    • LHAASO全阵列建成并投入运行
  • 中国强流高功率质子加速器研制再创世界纪录
    • 中国独立自主研制的ADS超导直线加速器样机在国际上首次实现束流强度10毫安连续波质子束176千瓦运行指标，并于2月12日凌晨实现10毫安束流稳定运行，刷新了此前创造的世界纪录。这次重大突破首次验证了全超导直线加速器可以稳定加速5-10毫安连续波质子束这一国际加速器领域长期追求的目标，为国际上同类强流高功率加速器装置建设及其一系列重大应用提供了成功先例。
• 物质世界
  • 粒子物理学的标准模型出现“裂缝”
    • 美国费米国家实验室公布了缪子（μ子）反常磁矩的测量结果：实验与理论预测之间存在4.2个标准差的偏差。虽然距离宣称“发现新物理”的5个标准差仍有一步之遥，但这起码可以说明旧有的“标准模型”已经遭遇到了前所未有的挑战。如果这个发现进一步确认，可能将标志着有50年历史的粒子物理标准模型的预言失败，或打开物理学变革之门。该研究入选《科学》十大科学突破之一、《自然》十大科学新闻以及《物理世界》十大突破之一。
    • 缪子g-2实验装置中的磁铁
  • 宇宙诞生瞬间的“第一种物质”
    • 丹麦科学家利用大型强子对撞机（LHC），揭示了宇宙大爆炸第一个0.000001秒内发生的新细节，即第一个微秒内一种特殊的等离子体发生了什么。科学家们研究了一种叫做夸克—胶子等离子体的物质，它是在大爆炸第一个微秒内存在的唯一物质，它的独特经历是：首先，等离子体被宇宙热膨胀所分离；然后，夸克碎片重组为所谓的强子；一个有3个夸克的强子组成一个质子，是原子核的一部分，这些也是构成地球、人类和现今包容着我们的宇宙的基础核心。该研究成果入选科技日报评选的2021年国际十大科技新闻。
    • “第一种物质”研究示意图
  • 首次实现对原子核的量子相干控制
    • 欧洲科学家团队率先实现了对原子核激发的量子相干控制。他们通过两个超短脉冲将同步加速器产生的X射线送入原子核中。他们通过调整脉冲相位实现了铁原子核在相干增强激发和相干增强发射之间的切换。除了可以促使我们更好地认识量子物质，这项成果还可能加速新技术的发展，比如超精准的核时钟以及可以储存大量能量的电池。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
  • 子主题
  • 首次“抓住”单个原子
    • 美国物理学家首次将单个原子“固定”在原位，并观察到了以前未见过的复杂原子相互作用。到目前为止，人们只能通过涉及大量原子的实验统计平均来了解这个量子过程，这项实验在现有知识的基础上进行了改进。
    • 子主题
  • 首次合成三维人工自旋轨道耦合
    • 中国研究团队利用超冷原子体系国际上首次实现了三维人工自旋轨道耦合，且构造出只有一对外尔点的最基本外尔半金属（Weyl Semimetals）拓扑能带。
    • 三维自旋轨道耦合
  • 在超冷费米气体中观测到泡利阻塞现象
    • 美国三支研究团队各自独立地在超冷费米气体中观测到了泡利阻塞现象。当构成气体的原子几乎占据所有可能的低能量子态时，就会出现泡利阻塞现象，它会阻碍原子通过小幅跃迁进入邻近量子态。泡利阻塞现象会影响气体原子散射光的方式。未来某一天，我们或许可以借助这项技术改进基于超冷原子的相关技术，比如光学时钟和量子中继器。该项成果入选《物理世界》十大突破之一。
  • 成功精确测定三维表面原子结构
    • 对于一般三维纳米材料的三维表面原子结构的单原子水平测定仍然是一个难题。在此，韩国研究者使用铂纳米颗粒作为模型系统，在15 pm精度下测量的三维原子结构。
  • 首次发现原子团簇“旋转木马跳”
    • 中外科学家团队联合利用原位高温透射电子显微学对Al60Cr20Fe10Si10系十次准晶在高温下的原子跳跃行为进行了研究，首次发现了原子团簇有类似于“旋转木马”的取向跳跃运动。这种完全不同于以往的微观粒子规律性跳跃为利用原子和原子团簇的来调控材料微结构提供了科学依据。
    • Al60Cr20Fe10Si10系十次准晶的室温及高温下的结构特点