ちょうど今、2022年の中国のトップ10の科学進歩が発表されました

◎科技日報記者劉銀

科学技術部ハイテクノロジー研究開発センター（基礎研究管理センター）は3月17日、2022年の中国の科学進歩トップ10を発表した。珠容哨戒レーダーが火星ユートピア平原の浅層構造を明らかにし、新原理で海水を直接電気分解して水素製造を実現するなど、候補となる30の進歩の中から10の大科学的進歩が際立った。

投票数によると、2022年の中国におけるトップ10の科学的進歩は次のとおりです。

周栄の巡視レーダーが火星のユートピア平原の浅い層状構造を明らかに

FASTはアクティブ繰り返し高速無線バーストの詳細です

海水電気分解による直接水素製造の新原理

新型コロナウイルスの変異特性と免疫回避メカニズムを解明

高効率オールペロブスカイトタンデム太陽電池とモジュールの実現

新しい原理のスイッチングデバイスが高性能大容量ストレージに新たなソリューションを提供

極低温三原子分子の量子コヒーレント合成の実現

穏やかな圧力条件下でのエチレングリコール合成

フェムト秒レーザー誘起による複雑なシステムのマイクロナノ構造化の新しいメカニズムの発見

実験により超伝導状態「分割フェルミ面」を確認

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周栄の巡視レーダーが火星のユートピア平原の浅い層状構造を明らかに

火星の地下構造や物理的性質に関する詳細な情報は、火星の地質の進化や居住可能性を研究する鍵であり、火星探査の重要な内容の一つです。

中国科学院地質地球物理研究所の陳玲氏と張金海氏の研究チームは、約4か月間移動し、最大1,171メートルを検出した珠容火星探査車の低周波レーダーデータの詳細な分析と微細画像化を行った。研究者らは、ユートピア平原南部の浅い地表から80メートル上空までの高精度な構造層別画像と地層特性情報を入手した。研究により、この地域の数メートルの厚さのパイロゾル層の下に、上に向かって細くなる2組の堆積層があることが判明しました。最初の堆積層は地下約10〜30メートルに位置しており、その形成は、約16億年前の短期的な洪水、長期の風化、または繰り返し起こった隕石の衝突に関連している可能性があります。 2番目の一連の地層は地下約30～80メートルに位置しており、35～32億年前の大洪水によって堆積した可能性がある。現在、この地域では水深80メートルより上で液体の水が存在する証拠は見つかっていないが、塩氷が存在する可能性は否定できない。

この研究は、現在の火星表面の微細構造と物理的特性を明らかにし、火星における長期的な水の活動の観測的証拠を提供し、火星の地質学的進化、環境、気候変動をより深く理解するための重要な基礎を提供します。

着陸プラットフォームの横にある Zhurong 火星探査車がワイヤレスカメラで撮影した自撮り写真。出典: アメリカ宇宙局。画像出典: 中国国家宇宙局

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FASTはアクティブ繰り返し高速無線バーストの詳細です

高速電波バースト（FRB）は、宇宙の電波帯域で最も激しい爆発現象です。その起源は不明であり、天文学の分野における主要な注目の最先端領域の一つです。

中国科学院国家天文台の李迪氏のチームは、北京大学、智江実験室、中国科学院上海天文台のチームと協力し、FASTを使用して、世界初の継続的に活動する高速電波バーストFRB20190520Bを発見しました。このバーストは、周囲電子密度がこれまでで最大であり、FRBに関するマルチバンド研究を効果的に前進させました。活発な繰り返しバーストFRB20201124Aを監視することで、これまでで最大のFRB偏光サンプルが得られ、FRBの局所環境における磁場の変化と周波数依存の偏光振動現象が検出されました。 FRB20190520BとFRB20201124Aに代表される活発な繰り返しバーストに対応して、国際協力が組織され、特に米国の大型望遠鏡GBTとFASTの共同観測により、FRBの周囲の環境を記述する単一のパラメータ、すなわち「RM分散」が明らかになり、繰り返し高速電波バーストの偏光周波数の進化に関する統一的なメカニズムが提案されました。

FAST は、活発かつ反復する高速電波バーストを注意深く描写し、統一された画像を構築して、最終的に高速電波バーストの起源を明らかにするための観測の基礎を築きます。

中国のスカイアイが繰り返し発生する高速電波バーストを発見

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海水電気分解による直接水素製造の新原理

海水の複雑な成分によって引き起こされる副反応や腐食性などの問題は、海水を直接電気分解して水素を生成する際に常に解決が困難な大きな課題でした。

深セン大学/四川大学の謝和平氏のチームは、分子拡散や界面相平衡などの物理的および機械的プロセスと電気化学反応を組み合わせることで、海水の電気分解によるその場での直接水素製造の新しい原理と技術を開発しました。気液界面での相変化の自己移動と自己駆動による海水電気分解による直接水素製造の理論的手法を確立し、界面圧力差による海水の自発的な相変化と物質移動の機械的駆動機構を形成し、追加のエネルギー消費なしに電気化学反応と協調した海水移動を通じて、動的自己調節的かつ安定した海水電気分解による直接水素製造を実現した。

独自に開発した386L/hのH2原理プロトタイプは、実際の海水中で3,200時間以上安定的に水素を生成し、ファラデー効率はほぼ100%、電気分解エネルギー消費量は約5.0kWh/Nm3 H2でした。海水イオンを分離しながら、淡水化プロセス、副反応、追加のエネルギー消費なしで、効率的な現場での海水直接電気分解による水素製造において技術的なブレークスルーを達成し、この分野の科学界と産業界を長年悩ませてきた技術的問題を解決するための基礎を築きました。

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新型コロナウイルスの変異特性と免疫回避メカニズムを解明

SARS-CoV-2 オミクロン変異株とその変異体は引き続き出現しています。将来のワクチン設計や流行の予防と制御のためには、SARS-CoV-2変異株がワクチン接種によって確立された免疫バリアとウイルス感染によって生成されたヒトの免疫をどのように回避するかを迅速に分析することが重要です。

北京大学と北京昌平実験室の曹雲龍、謝小良の両チームは、中国科学院生物物理研究所の王湘曦のチームと共同で、新型コロナウイルスのオミクロン変異株とその新亜型の体液性免疫回避機構と変異進化特性、および中和抗体オミクロンBA.1の回避機構とウイルススパイクタンパク質の構造特性との関連性を初めて明らかにした。オミクロンBA.4/BA.5変異はBA.1によるヒト感染後に生成される中和抗体を回避できることを発見し、オミクロン感染による集団免疫を獲得して新型コロナウイルスの拡散を阻止することは難しいことを証明した。独自に開発したハイスループット変異スキャン技術を基に、新型コロナウイルスの受容体結合ドメインにおける免疫回避変異部位の予測に成功し、新型コロナウイルスに対する広域中和抗体を前向きに選別した。

関連研究は、広範囲の新型コロナワクチンと抗体医薬品の開発に理論的根拠と設計指針を提供し、世界的な新型コロナ流行の予防と制御に重要な参考資料を提供します。

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高効率オールペロブスカイトタンデム太陽電池とモジュールの実現

ペロブスカイトタンデム太陽電池は、低コストの溶液処理の利点があり、薄膜太陽電池の大規模応用において重要な展望を示しています。しかし、全ペロブスカイトタンデムセルの光電変換効率は、単接合ペロブスカイトセルよりも依然として低い。狭バンドギャップペロブスカイト粒子の表面欠陥密度が高いことが、タンデムセルの効率向上を制限する主なボトルネックとなっています。

南京大学の Tan Hairen 氏のチームは、パッシベーション分子の極性を設計し、狭バンドギャップペロブスカイト粒子の表面の欠陥部位への吸着強度を向上させ、欠陥パッシベーションを大幅に強化し、全ペロブスカイト積層セルの効率を大幅に向上させました。国際的に認められた試験機関である電気安全環境研究所（JET）による独立した試験の結果、タンデムセルの効率は26.4％に達し、ペロブスカイトセルの新記録を樹立し、市場で主流の結晶シリコンセルの最高効率に匹敵する単接合ペロブスカイトセルを初めて上回りました。

研究チームは、大面積積層型太陽光発電モジュールの量産可能な製造技術を開発し、高密度半導体コンフォーマル層を使用してモジュールの相互接続領域におけるペロブスカイトと金属裏面電極の接触を遮断することで、モジュールの太陽光発電性能と安定性を大幅に向上させ、国際的に認証された積層型モジュール効率21.7%（面積20cm2）を達成しました。

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新しい原理のスイッチングデバイスが高性能大容量ストレージに新たなソリューションを提供

高密度かつ大容量のストレージは、ビッグデータ時代の情報技術とデジタル経済の発展における重要なボトルネックです。

中国科学院上海マイクロシステム・情報技術研究所の宋志堂氏と朱敏氏が率いるチームは、単一元素テルルと窒化チタン電極の界面効果に基づく新しいスイッチングデバイスを発明した。このデバイスは、ナノスケールの 2 次元閉じ込め構造におけるテルルの高速溶融と結晶化、および低消費電力という独自の利点を最大限に活用します。 「オン状態」では、テルルは溶融状態にあり、金属のような状態になり、窒化チタン電極とオーム接触を形成し、強力な電流駆動能力を提供します。 「オフ状態」では、半導体単一元素テルルと窒化チタン電極がショットキー障壁を形成し、電流を完全に遮断します。

この新しい結晶液体転移スイッチングデバイスは、コンポーネントがシンプルで、双方向閾値スイッチ（OTS）の複雑なコンポーネントによって引き起こされるコンポーネント分離の問題を克服できます。このプロセスは CMOS と互換性があり、極めて小型化できるため、大規模な 3 次元統合を容易に実現できます。このスイッチは、駆動電流が 11 MA/cm2、疲労寿命が 108 回以上、スイッチング速度が約 15ns と、総合的な性能が優れています。特に、テルル原子が失われなければ、スイッチ寿命は大幅に向上します。この研究は、大規模ストレージとニアメモリコンピューティングの開発に新たな技術的ソリューションを提供します。

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極低温三原子分子の量子コヒーレント合成の実現

高度に制御可能な超低温分子を使用して、複雑で計算が難しい化学反応をシミュレートすることで、複雑なシステムの正確かつ包括的な研究が可能になります。

2003年にコロラド大学のデボラ・ジンの研究グループが極低温原子ガスからカリウム二原子分子を​​合成して以来、他の研究室でもさまざまな極低温二原子分子が作られ、極低温化学や量子シミュレーション研究で広く利用されてきました。三原子分子のエネルギーレベル構造は理論的に計算するのが難しく、実験的に操作するのも極めて難しいため、極低温三原子分子を​​準備することは常に大きな実験上の課題となってきました。

中国科学技術大学の潘建偉氏と趙波氏のチームは、中国科学院化学研究所の白春麗氏のチームと共同で、無線周波数合成技術を用いて、分子原子フェッシュバッハ共鳴付近のナトリウム・カリウム基底状態分子とカリウム原子の混合物中に、超低温三原子分子を​​初めてコヒーレント合成した。この研究は、極低温化学と量子シミュレーションの研究に新たな方向性をもたらします。

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穏やかな圧力条件下でのエチレングリコール合成

現在、エチレングリコールの世界の年間需要は、主に石油化学製品から数千万トンに達しています。エチレングリコールへの外部依存を減らすため、中国科学院福建省物質構造研究所を代表とする科学研究機関は、企業と協力し、2009年に1万トンレベルでエステル水素化により石炭または合成ガスをエチレングリコールに変換する非石油ルート技術一式を開発しました。しかし、この技術ルートには安全上のリスクがあり、エチレングリコール製品の純度と品質が不安定です。

厦門大学の謝素源氏と袁有珠氏が率いる研究チームは、福建省物質構造研究所、中国科学院、厦門富納新材料科技有限公司の研究者と共同で、フラーレンC60を「電子緩衝剤」として使用し、銅シリカ触媒を改良した。彼らは、C60電子緩衝作用を利用して触媒を安定化させる第一銅フラーレン-銅-シリカ触媒を開発しました。研究者らは、穏やかな圧力条件下で数キログラム規模でフラーレン緩衝銅触媒によるジメチルシュウ酸からのエチレングリコールの合成を達成し、石油技術ルートへの依存を減らすことが期待される。

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フェムト秒レーザー誘起による複雑なシステムのマイクロナノ構造化の新しいメカニズムの発見

フェムト秒レーザーを物質に集中させると、さまざまな高度な非線形効果が発生します。このような極端な条件下での光と物質の相互作用は、未知の部分や課題に満ちています。

浙江大学のQiu Jianrong氏とその協力者は、フェムト秒レーザーによって複雑なシステム内にマイクロナノ構造が形成される新しいメカニズムを発見した。塩化物、臭化物、ヨウ素イオンを含む酸化物ガラス系を例にとると、制御可能な組成とバンドギャップ、およびガラス内で調整可能な発光を備えたペロブスカイトナノ結晶の 3D 直接リソグラフィーが実現され、赤、オレンジ、黄、緑、青などのさまざまな色の発光を示しています。形成されたナノ結晶は、紫外線照射、有機溶液浸漬、250°C の高温環境下でも優れた安定性を示します。さらに、この 3D マイクロナノ構造は、超大容量かつ長寿命で情報を保存し、非常に安定したミクロンレベルの最小ピクセルサイズのマイクロ LED アレイを使用して 1080p レベルのダイナミックな 3 次元カラー ホログラフィック ディスプレイを実現する能力があることも実証されました。

この成果は、フェムト秒レーザー誘起の空間選択的メソスコピックスケール相分離およびイオン交換の法則を明らかにし、フェムト秒レーザーによる3次元極限製造のための新たな技術原理を切り開きます。

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実験により超伝導状態「分割フェルミ面」を確認

フェルミ面は、電気的特性や光学的特性など、固体材料の多くの物理的特性を決定します。フェルミ面の人工的な制御は、材料の物理的特性を制御する最も重要な方法です。超伝導体にはフェルミ準位にエネルギーギャップがあるため、フェルミ面がありません。 1965 年、ピーター・フルデは、超伝導体中のクーパー対を動かしてその運動量を増やすと、クーパー対が壊れ、超伝導エネルギーギャップに特殊な「セグメント化されたフェルミ面」が生成される可能性があると理論的に予測しました。

上海交通大学の Jia Jinfeng 氏と Zheng Hao 氏のチームは、MIT の Fu Liang 氏のチームと共同で、トポロジカル絶縁体/超伝導体 (Bi2Te3/NbSe2) ヘテロ接合システムを設計し、準備しました。彼らは超伝導近接効果を利用して Bi2Te3 に超伝導を誘発し、水平磁場を使用してシステム内に小さなクーパー対運動量を生成しました。 Bi2Te3のトポロジカル表面状態のフェルミ速度が極めて高いという独自の利点により、トポロジカル表面状態におけるクーパー対が破壊され、この特殊な「セグメント化されたフェルミ面」がついに実現・観測され、58年前の理論予測が検証されました。この研究により、物質の状態を制御し、新しいトポロジカル超伝導体を構築するための新しい方法が開拓されました。

出典：科技日報