本著分門別類、本刊推薦、專家遴選、寧缺毋濫、敘述事實的原則，從國內外著名科技期刊和科技新聞媒體所報導的中國科技成果中，按科學、技術、工程3個類別，由《科技導報》編輯部遴選、推薦候選條目，經《科技導報》編委、審稿人等專家通信評選，推選出2022年中國重大科學、技術和工程進展30項。
《科技導報》自2004年第3期刊登「2003年中國重大科學、技術與工程進展」以來，至今已連續19年遴選發布中國年度重大科學、技術和工程進展。為盤點2022年中國重大科學、技術和工程進展，《科技導報》編輯部從國內外著名科技期刊和科技新聞媒體2022年1月1日至12月31日間發表、公布或報導的中國科技成果中，遴選、推薦24項重大科學進展、29項重大技術進展、35項重大工程進展候選條目，由《科技導報》編委、審稿人等專家通信評選，參考每項進展的得票情況，推選出2022年中國重大科學進展10項、重大技術進展10項、重大工程進展10項，以下按發表、公布及報導的時間先後逐一介紹。
1► 2022年中國重大科學進展（10項）
01探測到重複快速射電暴密近環境的動態演化
快速射電暴（fast radio burst，FRB）是宇宙中最明亮的射電爆發現象，2007年國際上首次確定它的存在，2016年第一例重複爆發的快速射電暴被探測到，該領域一直是天文研究的重大前沿熱點。
中國科學院國家天文台李菂團隊通過500米口徑球面射電望遠鏡（five-undred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）平台，採用原創的中性氫窄線自吸收方法，首次獲得原恆星核包層中具有高置信度的塞曼效應測量結果。研究發現，星際介質具有連貫性的磁場結構，異於標準模型預測，為解決恆星形成3大經典問題之一的「磁通量問題」提供了重要的觀測證據。
針對以FRB 20190520B、FRB 20121102A為代表的活躍重複暴，研究團隊系統分析了FAST和美國綠岸射電天文望遠鏡（Robert C. Byrd Green Bank Telescope，GBT）的多項觀測數據，首次提出了能夠統一解釋重複快速射電暴偏振頻率演化的機制，並基於此推導出能夠描述快速射電暴周邊環境單一參數，即「RM彌散」。
研究團隊還進一步利用FAST發現了世界首例持續活躍的快速射電暴，命名為「FRB 20190520B」（圖1），並確認近源區域擁有目前已知的最大電子密度。FRB 20190520B持續活躍的特徵有效推進了快速射電暴多波段研究，成為深度刻畫重複快速射電暴現象的重要進展。
同時，FAST研究團隊對另一位於銀河系外的活躍快速射電暴FRB 20201124A進行深度觀測，在54d共計82h內，觀測到了1863個爆發脈衝信號。基於這一迄今為止最大的快速射電暴偏振觀測樣本，團隊首次探測到距離快速射電暴中心僅1個天文單位（即太陽到地球的距離）周邊環境的磁場變化，向著揭示快速射電暴中心引擎機制邁出重要一步。
02實現世界紀錄效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池製備新途徑
實施「雙碳」目標是中國作出的重大戰略決策，發展清潔低成本的太陽能光伏器件，是實現「雙碳」目標的重要途徑與技術保障。鈣鈦礦太陽能電池具有高效率、低成本等優勢，構建基於鈣鈦礦材料的疊層太陽能電池，突破單結光伏器件的效率極限，是提升鈣鈦礦光伏效率與應用的有效途徑。但全鈣鈦礦疊層電池光電轉換效率低於單結鈣鈦礦電池，其中窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面缺陷密度高、載流子擴散長度短，是制約疊層電池效率的瓶頸。
南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁團隊通過鈍化窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面缺陷來提升薄膜的載流子擴散長度，從而製備出具有較厚吸光層和更高短路電流密度的電池，成功將全鈣鈦礦疊層電池的短路電流密度提升到16.5mA/以上，實現了更高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池。經日本電氣安全和環境技術實驗室（JET）認證，該全鈣鈦礦疊層電池穩態光電轉換效率高達26.4%，在國際上首次超越單結鈣鈦礦電池的最高認證效率25.7%，與目前晶矽電池最高效率相當。這項工作在利用鈣鈦礦材料製備高效率低成本太陽能電池中邁出了重要的一步。
為了進一步推動全鈣鈦礦疊層電池的產業化，譚海仁團隊運用塗布印刷、真空沉積等量產化技術，在國際上首次實現了全鈣鈦礦疊層光伏組件的製備，開創性地採用原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）製備緻密的電子傳輸層（ALD-），阻隔組件互連區域鈣鈦礦與金屬背電極的接觸，顯著提升了組件的製備重複性、光伏性能以及穩定性（圖2），實現了國際認證效率高達21.7%的大面積疊層組件，創造了鈣鈦礦光伏組件新的世界紀錄。該研究開闢了大面積鈣鈦礦疊層電池量產化、商業化的全新路徑，被《太陽電池世界紀錄表》（solar cell efficiency tables，version59）收錄。
03解析新冠病毒突變株奧密克戎免疫逃逸的分子機制
新型冠狀病毒（新冠病毒）突變株奧密克戎BA.1、BA.2、BA.2.12.1、BA.4、BA.5等的接連出現，對疫苗接種的預防效果和抗體藥物的治療效果提出了嚴峻挑戰，解析新冠病毒突變株的體液免疫逃逸機制，對於新冠疫苗研發和疫情防控具有重要指導意義。
中國科學院生物物理研究所王祥喜團隊等較為系統地研究了奧密克戎突變株的病原學與免疫特性、加強針免疫所對應的一組廣譜性中和抗體的特徵分析、代表性廣譜中和抗體的中和機制分析以及冠狀病毒識別人ACE2的內在規律。通過對280對中和抗體與S蛋白的複合物進行結構解析，證明了長時間、重複的抗原刺激能夠引發抗體持續的體細胞突變、記憶B細胞轉換以及記憶B細胞抗體組成比例改變，進而產生更強、更廣譜的單克隆抗體群。
北京大學生物醫學前沿創新中心、昌平實驗室謝曉亮/曹雲龍團隊通過高通量單細胞測序、分離並表徵上千個新冠單克隆中和抗體後，發現奧密克戎突變株BA.2.12.1、BA.4、BA.5新亞型呈現出更強的免疫逃逸能力，並且對奧密克戎BA.1感染者康復後血漿出現了顯著的中和逃逸現象，證明通過奧密克戎感染實現群體免疫來阻斷新冠傳播無法實現。研究人員還進一步對不同免疫背景人群中分離得到的抗體進行了大規模中和測定和逃逸圖譜表徵，發現由於「免疫印跡」現象的存在，奧密克戎亞型變體突破感染後產生的抗體多樣性逐漸降低（圖3）。另外，研究證明廣譜中和抗體藥物組合SA55+SA58，特別是SA55，仍然強效中和所有主要突變株和未來短期內可能流行的突變株，且同時具有治療和預防作用。這項研究前瞻性地對病毒未來突變演化方向進行了預測，為廣譜疫苗和抗體藥物的設計與研發提供了寶貴的理論與數據支持。
04發現黏附類GPCR識別和激活新機制
G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor，GPCR）在人體的細胞信號轉導中發揮重要作用，超40%的上市藥物通過GPCR發揮療效，圍繞GPCR的藥物研發一直是國際醫藥產業的競爭高地。黏附類G蛋白偶聯受體（adhesion G protein-coupled receptor，aGPCR）是GPCR超家族中的一類，共33個成員，是癌症和神經系統等疾病的潛在藥物作用靶點。但是，aGPCR分子結構和功能調控機制非常複雜，絕大多數成員為配體和功能未知的孤兒受體，相關研究的匱乏極大制約了對於GPCR的全面認識，其藥物研發潛力亟待挖掘。
山東大學基礎醫學院孫金鵬、於曉團隊，中國科學院上海藥物研究所吳蓓麗團隊先後解析了5種黏附類受體與G蛋白的複合物三維結構，在國際上首次闡明這類孤兒受體自發激活的分子機制，為生理病理機制研究和藥物設計提供重要依據。
孫金鵬團隊解析了2種感知機械力的黏附類受體GPR133、GPR114與下游蛋白Gs的複合物電鏡結構，證明了受體感知機械力後通過Stachel序列激活，並確定Stachel中由5個疏水胺基酸組成的保守HIM在Stachel序列與受體相互作用中起著核心作用。此外，於曉和孫金鵬團隊還通過冷凍電鏡技術解析了2種aGPCR（ADGRG2和ADGRG4）分別與G蛋白結合的複合物結構，發現Stachel序列的5個疏水胺基酸呈手指狀分布，提出了aGPCR的「手指模型」激活模式。該研究闡明了aGPCR自激活及對機械力感知的機制，並創新性構思出通用多肽配體拮抗劑的開發方案，為精準靶向aGPCR配體的設計和開發奠定了基礎。同時，吳蓓麗團隊成功解析了另外2種aGPCR（ADGRD1和ADGRF1）分別與G蛋白結合的複合物三維結構（圖4），發現位於受體胞外結構域和跨膜結構域之間的一段多肽（stalk）可作為內源性激動劑激活受體，首次闡明這類孤兒受體自發激活的分子機制。此項研究有助於靶向這2種aGPCR的癌症治療藥物開發。
05測定超高熱導率半導體砷化硼載流子遷移率
矽是目前應用最廣泛的半導體材料，從太陽能電池到計算機晶片都離不開矽。但是，隨著晶片集成規模的進一步增大，矽的導熱性能不佳和遷移率不高等問題成為制約晶片發展的重要因素。因此，探尋具有高導熱率、高載流子遷移率的新型半導體材料是學界和企業界關注的熱點。
國家納米科學中心劉新風團隊發現了人類迄今為止最佳半導體材料——立方砷化硼（cBAs），為解決CPU主頻升級困難的世界級難題邁出關鍵性一步。研究人員通過反覆比較大量樣品，綜合應用X射線衍射（XRD）、拉曼和帶邊螢光信號判斷樣品純度的方法，挑選出了高純樣品。進一步採用有高靈敏度、高時間和空間分辨能力的超快載流子擴散顯微成像系統，詳細比較了具有不同雜質濃度的立方砷化硼的載流子擴散速度，在世界上首次在高純樣品區域測定立方砷化硼材料的真實遷移率約為1550/（V·s）。該團隊還通過高能量（3.1eV，400nm）光子激發，發現了長達20ps的熱載流子擴散過程，其遷移率大於3000/（V·s）（圖5）。本研究測定了立方砷化硼高的載流子和熱載流子遷移速率，以及其超高的熱導率，表明其可以廣泛應用在光電器件、電子元件中，為當前晶片散熱和算力提高的瓶頸問題指明了方向。
06發現促使膽固醇排出體外的降脂新方法
膽固醇是一類在人體多種重要生理過程中發揮廣泛作用的脂質小分子，它的代謝水平與腦中風、冠心病等心腦血管疾病密切相關。膽固醇在生物體內很難被降解，尋找將多餘的膽固醇排出人體的方法，是研發新型降脂藥物，治療心腦血管疾病的有效手段。現有降脂藥雖能不同程度地降低血脂，但存在一定的副作用和局限性。
ASGR1是一種糖蛋白受體，主要在肝細胞膜上表達。全基因組關聯分析顯示ASGR1基因突變與低血脂相關，但是分子機制並不清楚。武漢大學宋保亮團隊發現促使膽固醇外排從而降脂的新方法。研究人員用RNAi或中和抗體抑制ASGR1功能，促使膽固醇外排入膽汁，進一步通過糞便排出機體，從而降低血液和肝臟中的脂質水平（圖6）。研究團隊還研發了ASGR1的中和抗體，該抗體可以將小鼠的血清總膽固醇水平降低50%，同時將血清甘油三酯水平降低22%。研究表明該抗體可以有效促使膽固醇外排，並與現有降脂藥物（如他汀和依折麥布）聯用起到更加顯著的降脂效果。該研究為研發促使膽固醇外排的降脂藥物奠定了重要基礎，具有潛在的經濟和社會效益。
07揭示火星烏托邦平原淺表精細結構和物性特徵
探索火星的地下結構和物性信息是研究火星地質、水文演化和古氣候變化的關鍵，一直是火星探測的主要任務之一。烏托邦平原是火星最大的撞擊盆地，曾經可能是一個古海洋，預示著火星早期可能存在過宜居環境。2021年5月15日，中國「天問一號」攜帶的「祝融號」火星車在烏托邦平原南部成功著陸，開啟了人類對該地區地下結構的首次原位雷達探測。
中國科學院地質與地球物理研究所陳凌團隊報告了「天問一號」攜帶的「祝融號」火星車，在烏托邦平原南部邊緣地區對火星地下結構進行的原位探地雷達調查結果（圖7）。科研人員對前113個火星日、探測長度達1171m的「祝融號」火星車低頻雷達數據展開了分析，首次獲得了烏托邦平原南部淺表80m之上的高精度結構分層圖像和地層物性信息，發現該區域數米厚的火壤層之下存在2套向上變細的沉積層序。第一套層序位於地下約10~30m，含有較多石塊，其粒徑隨深度逐漸增大，其形成可能與距今約16億年以來短時洪水、長期風化或重複隕石撞擊作用有關；第二套層序位於地下約30~80m，可能是距今35億~32億年前大型洪水事件沉積。雖然在雷達探測深度範圍內沒有發現存在液態水的直接證據，但通過溫度估計和雷達圖像的組合表明高氯酸鹽鹽水的存在是可能的，但可能只發生在大約80m以下的深度。該研究揭示了現今火星淺表的精細結構和物性特徵，提供了火星長期存在水活動的觀測證據，為深入認識火星地質演化與環境、氣候變遷提供了重要依據。
08發現志留紀化石庫為解答有頜脊椎動物起源提供確鑿證據
地球上約99.8%的脊椎動物都具有頜骨（上頜與下巴），頜的出現是「從魚到人」的脊椎動物演化史上一次重要的飛躍。然而，分子鐘推斷的有頜類起源時間存在一段至少3000萬年的巨大空白，化石實證的缺失使得有頜類的崛起長期籠罩在謎團之中。
中國科學院古脊椎動物與古人類研究所朱敏團隊經過長年野外考察，在中國貴州、湖南、重慶等地的志留紀早期（距今約4.39億~4.36億年）的地層中發現了「重慶特異埋藏化石庫」和「貴州石阡化石庫」，填補了全球志留紀早期有頜類化石記錄的空白，首次為有頜類的崛起與最早期輻射分化提供確切證據。研究團隊應用高精度電子計算機斷層掃描（CT）、性狀大數據分析、流體動力學模擬等新技術方法，對最新發現的5種志留紀古魚新屬種——蠕紋沈氏棘魚、新塑梵淨山魚、雙列黔齒魚、靈動土家魚和奇蹟秀山魚展開研究，首次展示了最早有頜類的身體構型、牙齒發育、偶鰭雛形等過去完全未知的信息。該研究更新了對早期有頜類解剖結構與演化關係的傳統認知（圖8），為解答「從魚到人」的起源提供了確鑿證據，改寫了有頜脊椎動物早期演化歷史。
09實現光催化劑光生電荷轉移過程的全時空成像
太陽能光催化反應可以實現分解水產生氫氣（綠氫）、還原二氧化碳產生太陽燃料，是國際科學前沿領域的大科學課題，也是實現碳中和的一個重要路徑。光生電荷在光催化劑中的轉移和運輸，以及從內部到表面反應位點的轉移是決定光催化效率的關鍵。由於這一過程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的時空尺度，故揭開這一全過程的微觀機制極具挑戰性。
中國科學院大連化物所李燦、范峰滔團隊通過集成3種先進的表徵技術和理論模擬，包括時間分辨光發射顯微鏡（飛秒到納秒）、瞬態表面光電壓光譜（納秒到微秒）和表面光電壓顯微鏡（微秒到秒）在時空全域接力賽式地追蹤了納米單顆粒光催化劑中光生電荷在分離和轉移演化的全過程，發現光催化劑中普遍存在的各向異性晶面和缺陷態直接影響光生電荷動力學行為；光生電子在亞皮秒時間尺度內經過准彈道傳輸機制完成晶面間超快傳輸，表現出量子特徵，區別於經典電磁學理論預測的漂移擴散機制；而光生空穴在納秒到微秒尺度演化，實現在不同晶面上的分離，揭示了光催化劑在微納米尺度上時空各向異性的電荷轉移機制，這是半個世紀以來光催化基礎研究的新發現（圖9）。該工作在單粒子尺度上高時空分辨追蹤電荷轉移和分布，建立了光催化過程的全新研究技術和理論方法，將極大促進對光催化領域基礎科學的發展，為根本上解決光催化微觀過程的瓶頸問題以及為發展高效光催化劑帶來希望。
10開創海水原位電解制氫新原理與新方法
海洋是地球上最大的氫礦，向大海要水是未來綠色零碳氫能發展的重點。然而，海水無淡化直接制氫面臨析氯副反應、催化劑腐蝕等問題，是困擾學界近半個世紀的技術瓶頸。
深圳大學/四川大學謝和平團隊從物理力學與電化學相結合的新路徑，開創了相變遷移驅動的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與方法，原創形成了海水無能耗傳質、電解質自激發驅動連續制氫、界面穩態自調節等關鍵原理技術（圖10）。團隊自主開發了全球首套400L/h海水原位直接電解制氫技術裝備，在深圳灣海水中原位制氫連續運行超3200h，電解能耗約5kW·h/（與工業鹼性電解水能耗相當。指在0℃、1個標準大氣壓下的氣體體積），徹底隔絕海水離子的同時實現了無淡化過程、無副反應、無額外能耗的規模化高效海水原位直接電解制氫技術突破，破解了該領域半世紀難題。此外，研究團隊探索了多元化水資源（如廢水、鹽湖等）直接原位制氫，為資源富集濃縮與能源生產提供多效利用新思路。該原理技術有望打造集「海上風電等可再生能源利用-海水氫能生產」為一體化的中國原創「海洋綠氫」全球新興戰略產業。
2► 2022年中國重大技術進展（10項）
01在高溫超導體中誘導出奇異金屬態
宇宙中，基本粒子分為費米子與玻色子2種。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於費米子體系，但該體系能耗高、損耗大，物理尺寸已近極限，面臨性能持續提升的瓶頸，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，有望為電子信息工業帶來革命性變化。
電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室主任李言榮、熊杰團隊與美國布朗大學James M. Valles Jr、北京大學物理學院/量子材料科學中心謝心澄、王健，北京師範大學劉海文，四川大學等合作者協同攻關，成功突破了費米子體系的限制，首次在玻色子體系中誘導出奇異金屬態。研究團隊通過在高溫超導釔鋇銅氧（YBCO）薄膜中精準構築納米網孔陣列，實現了對玻色子相干性、耗散能等物性的跨尺度調控，在量子相變臨界區發現了電阻隨溫度與磁場線性變化的奇異金屬態（圖11）。同時，低於超導臨界溫度時，體系霍爾電阻急劇減小為零，並且存在與庫珀電子對相關的h/2e（h為普朗克常數，e為基本電荷）超導量子磁電阻振盪，證明體系的載流子是玻色子。研究團隊進一步通過標度分析，發現玻色子奇異金屬的電阻由溫度與磁場簡單的線性相加決定，證明了電阻在量子臨界區與體系內在的能量尺度無關，滿足標度不變的關係，揭示了玻色子在量子臨界區存在奇異的動力學行為；建立了玻色子奇異金屬的完備相圖，闡釋了玻色系統耗散量子相變的物理圖像。該研究為理解凝聚態物理中奇異金屬的物理規律、揭示奇異金屬的普適性、完善量子相變理論奠定了科學基礎，對揭示耗散效應對玻色子量子相干的定量影響、推動未來低能耗超導量子計算以及極高靈敏量子探測技術的發展具有重要的理論和實際意義。
02實現超快雷射三維極端製造重大突破
超快雷射具有超快超強的特點，將超快雷射聚焦到玻璃內部時，會在焦點附近產生超高電場、超高溫度、超高壓力等現象。基於這一原理，在局部高溫高壓下，超快雷射焦點處微米尺寸範圍內的玻璃會出現納米相分離，通過調節雷射參數，改變焦點範圍內的溫度和壓力，就能夠對納米相的組成元素進行調節。而通過控制雷射輻照時間，則能讓納米相與周圍融化的玻璃基質之間進行離子交換，從而進一步調控納米相的組成元素。
浙江大學邱建榮團隊、之江實驗室譚德志團隊聯合上海理工大學顧敏團隊、南方科技大學劉召軍團隊、丹麥奧爾堡大學岳遠征團隊首次發現了飛秒雷射誘導複雜體系微納結構新現象，揭示了空間選擇性介觀尺度分相和離子交換的規律，開拓了飛秒雷射三維極端製造新技術，在無色透明介質內部實現了帶隙可控發光連續可調的任意三維半導體納米晶結構。利用這種3D納米結構，研究團隊成功演示了在超大容量超長壽命信息存儲、高穩定Micro-LED列陣和動態立體彩色全息顯示等前沿領域的重要應用（圖12）。
03實現三原子分子的量子相干合成
利用高度可控的超冷分子模擬複雜的難於計算的化學反應，可以對複雜系統進行精確的全方位研究，因而在超冷化學和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。但分子內部振轉能級非常複雜，導致通過直接冷卻方法製備超冷分子極其困難。隨著冷原子技術的發展，從超冷原子出發相干合成分子為製備超冷分子提供了一條全新的途徑。
中國科學技術大學潘建偉、趙博團隊與中國科學院化學所白春禮小組合作，在超冷原子雙原子分子混合氣中首次實現三原子分子的相干合成。實驗團隊從接近絕對零度的超冷原子混合氣出發，製備了處於單一超精細態的鈉鉀基態分子。在鉀原子和鈉鉀分子的Feshbach共振附近，通過射頻場將原子分子的散射態和三原子分子的束縛態耦合在一起，成功地在鈉鉀分子的射頻損失譜上觀測到了射頻合成三原子分子的信號，並測量了Feshbach共振附近三原子分子的束縛能（圖13）。這一工作為量子模擬和超冷化學的研究開闢了一條新的道路。
在此基礎上，潘建偉、趙博團隊在量子簡併的鈉鉀分子-鉀原子混合氣中，利用磁締合技術絕熱地製備了高相空間密度的超冷三原子分子系綜，向基於超冷分子的超冷量子化學和量子模擬研究邁出了重要一步。
04建立蛋白質從頭設計新方法
蛋白質的結構與功能由胺基酸序列所決定。目前，能夠形成穩定三維結構的蛋白質幾乎全部是天然蛋白質，其胺基酸序列是長期自然進化形成的。在天然蛋白結構功能不能滿足工業或醫療應用需求時，想要得到特定的功能蛋白，就需要進行蛋白質設計。近年來，國際上蛋白質從頭設計的代表性工作主要採用天然結構片段作為構建模塊來拼接產生人工結構。然而，這種方法存在設計結果單一、對主鏈結構細節過於敏感等不足，限制了設計主鏈結構的多樣性和可變性。
中國科學技術大學劉海燕、陳泉團隊採用數據驅動策略，開闢出一條全新的蛋白質從頭設計路線（圖14），在蛋白質設計這一前沿科技領域實現了關鍵核心技術的原始創新，為工業酶、生物材料、生物醫藥蛋白等功能蛋白的設計奠定了堅實基礎。團隊首先建立了給定主鏈結構設計胺基酸序列的模型，進而發展了能在胺基酸序列待定時從頭設計全新主鏈結構的模型。理論計算和實驗證明，用新方法設計蛋白質，能夠突破只能用天然片段拼接產生新主鏈結構的限制，顯著擴展從頭設計蛋白的結構多樣性，設計出不同於已知天然蛋白的新穎結構。該團隊發布了9種從頭設計的蛋白質分子的高分辨晶體結構，其中5種蛋白質具有不同於已知天然蛋白的新穎結構。
05製備出亞1nm柵極長度的電晶體
石墨烯和二硫化鉬（）等二維材料的發現使人們認識到材料即使在數個原子層的尺度下也可以具有良好的電學性質。近20年來，科學家試圖將這些二維材料運用在電晶體中，以使得電晶體具有更小的體積，從而實現具有更高集成度的電子晶片。但是，儘管科學家嘗試多種手段，目前電晶體的有效柵極長度也難以下降到1nm以下。
為進一步突破1nm以下柵長電晶體的瓶頸，清華大學集成電路學院任天令團隊巧妙利用石墨烯薄膜作為柵極，通過石墨烯側向電場來控制垂直的溝道的開關，實現等效的物理柵長為0.34nm，這是國際上首次製備出亞1nm柵極長度的電晶體，其具有良好的電學性能（圖15）。該研究推動了摩爾定律進一步發展到亞1nm級別，同時為二維薄膜在未來集成電路的應用提供了參考依據。
06發現並編輯KRN2基因可同時提高水稻玉米產量
玉米、水稻和小麥這3大農作物，為全球人類提供了50%以上的能量攝入。人類先祖從約1萬年前就開始了對野生植物的馴化。這些作物馴化發生在地球的不同地區，祖先各不相同，形態和生長習性各異。它們在長期的改良和選擇過程中，是否遵循了共同的遺傳規律，這對作物的遺傳改良具有重要的實踐意義。
中國農業大學和華中農業大學聯合研究團隊歷經18年，從基因和基因組2個層面進行系統研究，首次發現了玉米和水稻中都具有的一個關鍵基因——KRN2，通過對這一基因的編輯，可以調控玉米穗行數，從而將玉米的產量提高10%；同時研究發現，這一基因在水稻的基因組裡也同樣存在，通多對其基因編輯可使水稻的產量增加8%（圖16）。研究還解析了玉米和水稻趨同選擇的遺傳規律，為作物馴化的機制解析和未來作物育種奠定了重要理論基礎。
聯合研究團隊未來將聚焦KRN2基因，依託湖北洪山實驗室組建玉米基因組、育種基因設計、分組育種等創新團隊，打通從基礎研究到標記基因的開發，以及品種選育、產業推廣運用全產業鏈。
07提出全新誘導人多潛能幹細胞製備技術
多潛能幹細胞具有無限增殖的特性和分化成生物體所有功能細胞類型的能力，這些神奇的特質使其在細胞治療、藥物篩選和疾病模型等領域具有廣泛的應用價值，是再生醫學領域最為關鍵的「種子細胞」。
北京大學鄧宏魁團隊提出了一種全新的誘導人多潛能幹細胞製備技術——化學重編程。研究者使用化學小分子誘導人成體細胞轉變為多潛能幹細胞，相比於傳統手段，可以實現細胞重編程過程的高度可控，並且規避了傳統轉基因操作引發的安全問題，這是國際上首次報導使用化學小分子誘導人成體細胞轉變為多潛能幹細胞這一突破性研究成果（圖17）。研究實現了完全利用化學小分子誘導人成體細胞轉變為多潛能幹細胞（人CiPS細胞），開闢了人多潛能幹細胞製備的全新途徑，是繼「體細胞核移植」和「轉錄因子過表達」之後，首次由中國自主研發的新一代人多潛能幹細胞製備技術，為國內幹細胞和再生醫學的發展解決了底層技術上的「瓶頸」問題。這一技術的建立不僅在多潛能幹細胞臨床應用領域具有巨大的意義和價值，同時為細胞命運調控及再生生物學理論研究方面提供了全新的視角和平台，可為未來再生醫學治療重大疾病帶來新的可能性。
08創製出新型碳同素異形體單晶
碳是元素周期表中最多樣化的元素之一，能以多種雜化方式成鍵獲得獨特的π電子共軛體系從而展現出優異的力、熱、光、電等性能。碳材料的性能與其拓撲結構密切相關，因此研究新的二維碳同素異形體，特別是具有帶隙的新型結構具有重要意義。製備新型碳材料一直是物質科學領域的前沿課題，但由於缺乏有效、可靠的合成方法，使得新型碳材料的發現具有極大的挑戰。
中國科學院化學研究所鄭健團隊開發了一種製備新型碳材料的合成策略，成功製備了單層二維聚合單晶，並獲得了清晰的價鍵結構。通過調節Mg和的比例，在常壓條件下製得了2種緊密排列的准六方相和准四方相的Mg插層聚合物單晶。通過有機陽離子切片策略，使用四丁基水楊酸銨作為切割試劑，從准六方相結構中剝離得到單層聚合物（圖18）。單晶XRD和掃描隧道電子顯微鏡表徵結果表明，之間通過碳-碳橋連單鍵和[2+2]環加成的四元環橋連鍵，在平面內連接形成了一種全新的二維拓撲超結構。單層聚合具有較高的結晶度和良好的熱力學穩定性，並具有適度的禁帶寬度，這種利用零維團簇代替碳原子構築二維拓撲結構的方法，為新型碳材料的探索提供了新的思路。
09製備出具備超高導電率的可溶液加工n型導電聚合物
導電聚合物因具有較高導電性、能夠進行溶液相處理等優點受到廣泛關注，目前人們成功地發展了多種多樣的高性能導電聚合物材料，並且能夠用於多種有機電子器件。但是大多數導電聚合物材料是空穴傳輸型（p型），n型導電聚合物的發展明顯滯後，由於較低的摻雜效率和環境不穩定性缺點，能夠呈現金屬態的n型導電聚合物非常罕見。
華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室黃飛團隊聯合南方科技大學、北京大學研究團隊，創新地提出了一種新的n型導電聚合物合成策略，利用醌類氧化劑可逆的氧化還原特性，將氧化聚合和還原摻雜結合，大幅提高了有機半導體的n型摻雜效率，實現了具備超高電導率及優異穩定性的n型導電聚合物的製備（圖19）。合成的聚（苯並二呋喃二酮）（PBFDO）具有超過2000S/cm的電導率及良好的空氣穩定性，在有機電子器件中展現出廣泛的應用前景。
以發光材料與器件國家重點實驗室智慧財產權為背景的東莞伏安光電公司已布局開發PBFDO及相關產品，推動實際應用。
10提出一種集成化的元成像晶片架構
光學成像拓展了人類的認知邊界，推動科學的進步；也應用於人們生活的方方面面。完美光學成像是人類感知世界的終極目標之一，然而受到不可避免的鏡面加工誤差，系統設計缺陷與環境擾動的限制，使得實際成像解析度與信噪比往往顯著低於完美成像系統。
清華大學戴瓊海團隊提出了一種集成化的元成像晶片架構，為解決這百年難題開闢了一條新路徑。區別於構建完美透鏡，研究團隊另闢蹊徑，研製了一種超級傳感器，記錄成像過程而非圖像本身，通過實現對非相干複雜光場的超精細感知與融合，即使經過不完美的光學透鏡與複雜的成像環境，依然能夠實現完美的三維光學成像（圖20）。這一技術解決了長期以來的光學像差瓶頸，有望成為下一代通用像感器架構，而無需改變現有的光學成像系統，將應用於天文觀測、生物成像、醫療診斷、移動終端、工業檢測、安防監控等領域，帶來顛覆性變化。
3► 2022年中國重大工程進展（10項）
01全球首艘10萬噸級智慧漁業大型養殖工船下水運營
2022年1月25日，由中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所牽頭研製、國信中船公司投資建造的全球首艘10萬噸級智慧漁業大型養殖工船「國信1號」在中國船舶集團青島北海船廠出塢下水，5月20日交付運營（圖21），標誌著中國深遠海大型養殖工船產業實現了「由0到1」的進階發展，「國信1號」首創的「船載艙養」模式，使中國海洋漁業養殖從近海走向深遠海。
「國信1號」總長249.9m、型寬45m、型深21.5m，載重量10萬t，排水量1t，全船共15個養殖艙，養殖水體達8萬，用於開展大黃魚等高端經濟魚類的養殖生產。「國信1號」養殖艙內水體聲學指標達到甚至超過靜音級科考船水平，全船有2108個測點信息，對15個養殖艙內的水、氧、光、飼、魚進行集中控制與實時監測。「國信1號」突破了船載艙養、水體交換、減搖制盪、減震降噪、清污防腐、智能集控6大關鍵技術，通過有效的人工干預實現了艙內水體與外界自然海水不間斷強制交換，可控的封閉養殖環境更容易隔離病源並提升養殖成活率，養殖密度是傳統網箱的4~6倍，養殖周期可縮短1/4以上。
作為全球首艘10萬噸級養殖工船，「國信1號」在研發、建造和產業運營等諸多方面開創國際先例，形成了30多項自主智慧財產權，為中國乃至世界深遠海養殖打造「中國樣本」，率先探索海洋漁業養殖從近海走向深遠海，從農業傳統經營模式轉向大規模現代化工業生產的方式和路徑。
02世界最大單機LHD1.6MW潮流能發電機組啟動運行
2022年2月24日，世界最大單機LHD1.6MW潮流能發電機組「奮進號」在舟山岱山秀山島海域啟動下海（圖22），並於4月29日正式併入國家電網，通過舟山五端柔直工程實現潮流能全額消納。
位於浙江舟山秀山島的LHD林東模塊化大型海洋潮流能發電站，是世界上首座海洋潮流能發電站，是目前世界上唯一連續不間斷運行超過1周年的項目。「奮進號」機組是潮流能第四代單機兆瓦級機組，機組總重325t，額定功率1.6MW，設計年發電量200萬kW·h，預計可減少碳排放1994t。
2016年7月27日，LHD項目首期1MW機組順利下海發電，同年8月26日併入國家電網，實現中國海洋潮流能開發與利用進程中大功率發電、穩定發電、併入電網的3大跨越。LHD項目連續發電併網運行時間保持全球第1，累計向國家電網送電位居世界第3。目前，世界上掌握海洋能發電併網技術的國家只有英國、美國、法國和中國，但在持續穩定發電併網時間上，LHD項目已經領跑世界。
03鯤龍AG600全狀態新構型滅火機首飛成功
2022年5月31日，由中國航空工業集團公司牽頭自主研製的大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機鯤龍AG600全狀態新構型滅火機在廣東珠海首飛成功（圖23），鯤龍AG600項目全面進入加速發展的新階段，滅火功能型號研製取得重大突破。
鯤龍AG600飛機是為滿足中國應急救援體系和國家自然災害防治體系建設迫切需要研製的重大航空裝備，是中國首次按照民用適航標準研製的大型特種飛機，是與運-20大型運輸機、C919大型客機並稱的三型國產大飛機之一。
此次首飛的鯤龍AG600全狀態新構型滅火機最大起飛重量60t，最大載水量12t，填補了國產大型航空滅火飛機的空白。該型機設置增壓艙，採用電傳飛控和綜合航電，配置全任務系統，相比技術驗證機具有更高安全性、更大投水量、更遠航程、更優秀的平台系列化發展能力。鯤龍AG600全狀態新構型滅火機立足於國內產業鏈、供應鏈、創新鏈，實現了包括發動機、關鍵機載系統在內的100%國內自主配套，一大批新技術、新材料、新工藝得到應用，有效帶動相關產業快速發展和質量提升。
在工程化驗證階段，鯤龍AG600技術驗證機相繼實現陸上、水上、海上首飛，關鍵性能試驗試飛和汲投水滅火功能驗證試飛。在實用化應用階段，主要是開展全狀態新構型滅火機、救援機研製和適航取證。接下來將建設以鯤龍AG600為龍頭的國產航空應急救援裝備體系，加快推動型號研製和市場化應用。
04中國第三艘航空母艦成功下水
2022年6月17日，中國第三艘航空母艦在中國船舶集團有限公司江南造船廠下水（圖24），該艘航空母艦命名為「中國人民解放軍海軍福建艦」，即福建艦。福建艦航母的正式下水，標誌著中國航空母艦進入新發展階段，中國正式開始三航母時代，將對航母的操作提出更高的要求和更大的實際操作空間。
福建艦是中國完全自主設計建造的首艘彈射型航空母艦，採用平直通長飛行甲板，配置電磁彈射和阻攔裝置。從「雙航母」到「三艦客」，福建艦下水，是中國海軍發展史上的重要里程碑。福建艦滿載排水量8萬餘t（舷號為「18」），超過山東艦（舷號為「17」）；跟山東艦採用滑躍式起飛相比，「福建艦」採用電磁彈射起飛，也實現了新跨越。相較於傳統的滑躍式起飛方式，電磁彈射可以讓戰鬥機滿載燃料和彈藥起飛，還可以滿足大到運輸機、預警機，小到無人機等各類機型在航母上的起飛條件。由於電磁彈射的研發難度高，此前只有美國掌握了這項技術，福建艦的下水掀開了中國海軍航母發展和遠洋作戰的新篇章。
05世界首條環沙漠鐵路全線貫通
2022年6月17日，和田至若羌的鐵路（簡稱「和若鐵路」）正式建成通車（圖25為和若鐵路車爾臣河特大橋）。和若鐵路的開通，標誌著世界首條環沙漠鐵路（環塔克拉瑪干沙漠鐵路，以下簡稱「環沙漠鐵路」）全線貫通。
和若鐵路位於世界第二大流動性沙漠——塔克拉瑪干沙漠南緣，西起新疆維吾爾自治區和田市，東至巴州若羌縣，途經洛浦、策勒等市縣，於2018年12月開工建設，2022年3月12日通過動態驗收。該鐵路全長825km，設計時速120km/h，為國家I級單線鐵路，預留電氣化條件。環沙漠鐵路由和若鐵路與已建成通車的南疆鐵路（庫爾勒—喀什—和田段）、格庫鐵路（若羌—庫爾勒段）組成，全長2712km，途徑新疆和田地區、巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州和喀什地區等5個地州和31個市縣，輻射人口1644萬。
環沙漠鐵路全線貫通完善了新疆鐵路網結構，有助於提升南疆交通區位條件，通過開闢運輸新通道進而對沿線地區的產業發展、人口流動、鄉村振興、城鄉融合及絲綢之路經濟帶核心區建設等方面產生巨大推動作用。
06中國運載能力最大固體運載火箭「力箭一號」首飛成功
2022年7月27日，由中國科學院力學研究所抓總研製、中國迄今運載能力最大的固體運載火箭「力箭一號」在酒泉衛星發射中心成功發射（圖26），以「一箭六星」方式將6顆衛星送入預定軌道。「力箭一號」運載火箭首次飛行任務取得圓滿成功，作為中小型衛星發射優先選擇，豐富了中國固體運載火箭發射能力譜系。
「力箭一號」是四級固體運載火箭，起飛重量135t，起飛推力200t，總長30m，芯級直徑2.65m，首飛狀態整流罩直徑2.65m，500km太陽同步軌道運載能力1500kg。「力箭一號」具有運載能力大、入軌精度高、固有可靠性高、響應速度快、發射效率高、保障要求低、發射成本低等突出優點，適用於中/小衛星載荷的中/低軌低成本快速組網發射。「力箭一號」從2019年開始研製，迄今為止科研團隊突破了6項重大關鍵技術和13項國內首次使用的技術。本次發射任務搭載的6顆衛星分別是中國科學院微小衛星創新研究院抓總研製的空間新技術試驗衛星、軌道大氣密度探測試驗衛星、低軌道量子密鑰分發試驗衛星、電磁組裝試驗雙星，以及上海航天空間技術有限公司研製的南粵科學星。空間新技術試驗衛星是可通用、可擴展、快速響應的空間新技術試驗衛星平台，將開展新型空間科學載荷的實驗。
「力箭一號」運載火箭由中國科學院「十四五」重大項目支持，其面向空間科學和空間技術發展需求，對於推動中國運載技術和研製模式的變革和創新、推動空間科學發展具有重要意義。
07中國初步建立綜合性太陽觀測網
2022年10月9日，中國綜合性太陽探測衛星「夸父一號」，在酒泉衛星發射中心搭乘長征二號丁型運載火箭發射升空，衛星順利進入預定軌道，發射任務取得圓滿成功。
「夸父一號」全稱先進天基太陽天文台（ASOS），是中國科學院空間科學先導專項繼「悟空」「墨子號」「慧眼」「實踐十號」「太極一號」「懷柔一號」之後，研製發射的又一顆空間科學衛星，實現了中國天基太陽探測衛星的跨越式突破（圖27）。「夸父一號」作為中國綜合性太陽探測專用衛星，將實現3個首次：國際上首次以「一磁兩暴」（「一磁」即太陽磁場，「兩暴」即太陽上2類最劇烈的爆發現象——耀斑和日冕物質拋射）作為科學目標並配置相應的載荷組合；國際上首次在一顆衛星平台上對全日面矢量磁場、太陽耀斑非熱輻射成像、日冕物質拋射的日面形成以及日冕傳播同時進行觀測；國際上首次在萊曼阿爾法波段實現全日面和日冕同時觀測。
2022年12月13日，「夸父一號」首批科學圖像正式對外發布：「夸父一號」在軌2個月期間，按照既定計劃，開展大量對太陽的在軌測試和觀測，其中全日面矢量磁像儀實現中國首次在空間開展太陽磁場觀測，已獲得的太陽局部縱向磁圖的質量達到國際先進水平，為聚焦衛星「一磁兩暴」科學目標，實現高時間分辨、高精度的太陽磁場觀測奠定了良好的基礎。
08中國國家太空實驗室正式成型
2022年10月31日，搭載空間站夢天實驗艙的長征五號B遙四運載火箭，在文昌航天發射場點火發射升空，成功把夢天實驗艙送入太空預定軌道，該實驗艙在飛行了大約13h後，與天宮空間站的天和核心艙對接，形成新的組合體。11月3日，夢天實驗艙順利完成轉位，中國空間站「T」字基本構型在軌組裝完成。至此，中國第一座由3個艙段組成的空間站基本型建造完畢，國家太空實驗室的正式建成（圖28）。
2022年5月10日，搭載天舟四號貨運飛船的長征七號遙五運載火箭成功發射，這是中國空間站建設從關鍵技術驗證階段轉入在軌建造階段的首次發射任務，揭開中國空間站在軌建造序幕。隨後，中國空間站在軌建造階段的首次發射任務——神舟十四號載人飛行任務取得圓滿成功。陳冬、劉洋、蔡旭哲3名航天員進駐天和核心艙，開啟了為期6個月的在軌駐留。2022年7月、10月，問天實驗艙、夢天實驗艙陸續發射，中國空間站「T」字基本構型在軌組裝完成。夢天實驗艙發射成功的9天後，天舟五號貨運飛船搭載長征七號遙六運載火箭發射，與在軌運行的空間站組合體成功進行自主快速交會對接，時間僅用2h，創造了世界航天史交會對接歷時最短的新紀錄。2022年11月29日，費俊龍、鄧清明、張陸3名航天員搭乘神舟十五號載人飛船並順利進駐中國空間站，神舟十四號、十五號2個航天員乘組首次實現「太空會師」，創造中國航天的歷史性時刻，自此中國空間站關鍵技術驗證和建造階段12次發射任務全部完成。
2022年，中國載人航天事業取得了進一步突破。神舟十四號、十五號載人飛船成功發射，問天、夢天實驗艙等順利對接，中國空間站建設取得歷史性突破。中國空間站不僅支持開展更大規模的空間研究實驗和新技術試驗，而且面向所有聯合國成員國徵集有意搭載到中國空間站的合作實驗項目。截至2022年12月31日，已有17個國家、23個實體的9個項目成為中國空間站科學實驗首批入選項目。未來10年還將利用空間站艙內安排的科學實驗櫃和艙外大型載荷設施，開展更大規模的空間研究實驗和新技術試驗。
09全球單機容量最大16MW海上風電機組下線
2022年11月23日，由三峽集團與金風科技聯合研製的16MW海上風電機組在福建三峽海上風電國際產業園下線（圖29）。該機組是目前全球範圍內單機容量最大、葉輪直徑最大、單位兆瓦重量最輕的風電機組，標誌著中國海上風電大容量機組在高端裝備製造能力上實現重要突破，達到國際領先水平。
此次下線的單機容量16MW海上風電機組，葉輪直徑252m，葉輪掃風面積約5萬，約相當於7個標準足球場大；輪轂高度達146m，約相當於一座50層大樓的高度。在額定工況下，單台機組每轉動一圈可發電34.2kW‧h。根據多年平均發電量設計值，單台機組每年可輸出超過6600萬kW‧h的清潔電能，能夠滿足3.6萬戶三口之家一年的生活用電，可節約標煤約2.2萬t，減排約5.4萬t。16MW機組在大型主軸軸承、超長輕量化葉片等關鍵核心部件的研發製造方面取得了重要的技術突破。機組運行狀態監測的數位化水平高，能夠針對颱風等惡劣天氣智能調整運行模式，確保風機安全和高效發電。
16MW機組的下線，標誌著中國風電裝備產業實現了從「跟跑」到「並跑」再到「領跑」的歷史性跨越，創造了全球海上風電裝備發展的最新標杆。
10中國首台F級50MW重型燃氣輪機開啟工程應用
2022年11月25日，由東方電氣集團東方汽輪機有限公司自主研發的國內首台完全自主智慧財產權的F級50MW重型燃氣輪機在正式發運交付（圖30），這檯曆時13年自主研發的國內首台F級50MW重型燃機正式走向工程應用。標誌著中國在重型燃氣輪機領域完成了從「0」到「1」的突破。
重型燃氣輪機是發電和驅動領域的核心設備，也是大型裝備的「心臟」，具備極高的戰略地位和巨大的市場前景。為解決該領域技術的短板問題，從2009年起，中國燃氣輪機多家重點企業和產業鏈上中下游近百家單位以及科研院校聯合進行技術攻關。F級50MW重型燃氣輪機研製項目聯合高校、科研院所、產業鏈上中下游近300家企業共同致力於打造安全可控、自主可靠的燃機產業鏈，實現主機國產化率100%。
F級50MW重型燃氣輪機的零部件多達數萬個，從設計技術到材料機械，再到試驗設施，任何一項都是十分龐大複雜的系統工程。歷經10多年的探索，該項技術目前已建立起完整的設計、製造、試驗體系，打通了自主燃氣輪機從攻關到走向應用的「最後一公里」。
本文作者：王康友、劉志遠、祝葉華、徐麗嬌
作者簡介：王康友，《科技導報》編輯部，研究員，研究方向為科技傳播；徐麗嬌（通信作者），《科技導報》編輯部，博士，研究方向為科技編輯學。
原文發表於《科技導報》2023年第3期，歡迎訂閱查看。