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2018年，基础前沿领域取得多项突破:超导粒子物理量子技术等领域取得重大突破。自动合成+人工智能正在改变传统的有机合成，简单有效的纳米材料制备方法有助于许多领域的发展。
一项重要的研究进展
01
超导粒子物理和量子技术领域取得重大突破。
▋超导研究获得新思路和重大突破
麻省理工学院等发现，两层石墨烯以1.1°的“魔角”扭曲在一起，会形成莫特绝缘态，实现非常规超导，为超导研究带来新思路。
日本名古屋大学等。首次发现超导准晶。通过改变特殊金属合金中的元素比例，制造出了温度低于0.05K的超导准晶，证实了准晶中可能存在超导性，这可能导致新的超导材料的出现。
中国科学院物理研究所等。首次在超导块材中观测到了majorana任意子，并且可以在相对较高的温度下实现，为majorana物理的研究开辟了新的方向。
▋对粒子物理的研究成果是丰硕的。
“艾斯·库伯”中微子天文台成功将其捕获的高能中微子追踪到距离地球约37.8亿光年的辉煌变种，首次准确定位了“幽灵粒子”的起源，为人类认识宇宙提供了新方法。
美国费米国家加速器实验室的MinibooNE实验发现了与已知三种中微子不匹配的信号，再次引发了关于惰性中微子的争论。
而加拿大欧洲核子研究中心实现了反氢内部参考能的首次跃迁，向冷却和操纵反氢原子迈出了一步。
CERN完成了迄今为止最精确的反物质光谱探测，将高精度反物质探测向前推进了一步。
CERN检测到希格斯玻色子和顶夸克之间的相互作用。
中国“超级显微镜”散裂中子源投入运行
日本理化学研究所等理论预言新粒子双重粒子“ω ω”的存在
亚利桑那州立大学等。观测到了第一颗恒星形成时期的氢吸收信号，可以对暗物质的性质有更深入的了解。
▋量子技术发展迅速。
中国科学技术大学等。利用墨子量子科学实验卫星首次实现世界洲际量子密钥分发，标志着墨子已经具备实现洲际量子保密通信的能力。
澳大利亚设计的“量子开关”验证了不确定的因果序列，可能对处理量子信息有用。
英特尔成功设计并交付了49个量子位超导芯片，谷歌公布了72个量子位芯片。
中国科学技术大学在国际上首次实现了18个光量子比特的纠缠，奥地利在20个量子比特系统中实现了受控多粒子纠缠。
美国开发了新的量子力学方法产生真随机数，中国科学技术大学在国际上首次实现了设备无关的量子随机数。
▋物理常数的更新将促进更高级的研究。
SI基本单位中的千克安培开尔文摩尔将分别由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数和阿伏伽德罗常数定义。
华中科技大学测得了目前世界上最精确的引力常数。
02
自动合成+人工智能正在改变传统的有机合成。
▋自动合成+人工智能正在改变传统的有机合成。
英国格拉斯哥大学和美国麻省理工学院的研究人员开发了智能合成系统，将人工智能与自动合成、分析和检测相结合。只有通过随机运行一些反应并为智能算法学习结果，才能准确预测反应或优化反应条件。
辉瑞和默克的研究人员竞相开发自动化高通量化学反应筛选平台。
默克研究人员充分发挥平台优势快速收集大量反应数据，与普林斯顿大学研究人员合作，利用数据训练人工智能算法，可以准确预测反应产率。
▋不断创新的有机合成技术
美国研究人员将光催化和酶催化结合起来，异构化烯烃，减少碳碳双键。
美国普林斯顿大学的研究人员将光氧化还原催化与过渡金属催化相结合，实现了脂环烃惰性碳氢键的芳基化。
上海科技大学的研究人员开发了一种廉价高效的铈基催化剂和醇类催化剂协同催化体系，可以在室温下利用光能将甲烷一步转化为高附加值的液体产品。
通过细胞色素P450的定向进化，加州理工学院的研究人员可以高效催化碳氢键的功能化和高张力碳环的合成。
美国研究人员开发了一种手性膦试剂，可以高立体选择性地合成硫代磷酸寡核苷酸，有望推动小核酸药物的发展。
哈佛大学的研究人员报道，通过SN1亲核取代反应，高对映选择性地合成了具有季碳手性中心的化合物。
▋化工节能环保
麻省理工学院的研究人员开发了一种新的磷试剂，可用于合成多种含磷化合物，从而减少白磷的使用。
伊利诺伊大学的研究人员开发了一种新的前端聚合策略，可以大大减少合成热固性聚合物的时间和能耗。
来自中国和美国的科学家合作制备了一种含有铁过氧化物位点的金属有机框架化合物。从乙烷/乙烯混合物中分离聚合物级纯乙烯只需要一个循环。
我国南开大学研究人员制备了具有高效率和宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件，光电转换效率达到17.3%。
▋在分析表达能力上的突破
美国和瑞士的研究人员开发了一种新技术，通过电子显微镜快速分析有机小分子的结构，分辨率为1。
美国康奈尔大学的研究人员创造了电子显微镜分辨率的新世界纪录，将其提高到0.39。
中国研究人员首次获得了离子水合物的原子级分辨率图像。
钙钛矿型光电材料的研究非常活跃。
在钙钛矿太阳能电池方面，中国科学院半导体研究所的研究人员创下了研究单位的光电转换效率纪录，日本东芝公司的研究人员创下了11.7%的模块效率纪录。
在钙钛矿基LED中，英国剑桥大学的研究人员将内部发光效率提高到近100%，中国南京工业大学的研究人员将外部量子效率提高到20.7%。
与中国新加坡的研究人员合作发现了一类无机钙钛矿纳米晶体闪烁体，可以实现超灵敏的X射线探测。中国东南大学研究人员制备了世界首个无金属钙钛矿铁电体，并首次发现手性对映体铁电体。
此外，美国哈佛大学的研究人员精确操纵两个原子合成一个分子。
中国复旦大学的研究人员发现，钙锶钡可以形成稳定的八羰基化合物，符合18电子规则，表现出典型的过渡金属成键特征。
日本和瑞典的研究人员证实，水中有两种液相。
美国桑迪亚国家实验室的研究人员揭示了燃烧气体燃料产生煤烟颗粒的化学过程。
美国研究人员利用钻石产生巨大压力来打破化学键。
加州理工学院的研究人员开发出了在接近零重力状态下光解水产生氢气和氧气的技术，有望用于长期星际飞行。
03
纳米材料有助于许多领域的发展，简单有效的制备方法层出不穷。
▋纳米材料在生物医学领域大放异彩
美国芝加哥大学使用纳米金属有机框架化合物作为光敏剂，克服了光动力疗法中肿瘤缺氧的问题，可以使90%的肿瘤发生退化，提高肿瘤的免疫治疗效果。
牛津大学采用一步法合成了超顺磁性镍胶体纳米晶簇，对革兰氏阳性菌和阴性菌以及细菌孢子表现出抗菌和捕集能力。
康奈尔大学通过硫酸化吲哚菁染料的自组装制备了载药量高达90%的靶向药物载体纳米粒子，并设计了预测模型，使纳米药物的计算和设计成为可能。
深圳大学和加州大学洛杉矶分校合成了一种新的氢化钯纳米材料，实现了光热成像/光声成像引导的水热治疗，可以潜在地实现对多种肿瘤的高效低毒治疗。
▋纳米催化剂在水分解制氢领域发挥着重要作用。
德克萨斯大学奥斯汀分校利用制备的NiCoA多孔纳米片实现了0V初始水裂解过电位，在1.56V下可以完全溶解水
中国中山大学通过削弱氢离子在纳米线电催化剂表面的结合，实现了聚苯胺/磷化钴杂化纳米线析氢的类铂电催化。
Xi交通大学和加州大学采用水热法合成了超细Pt-M合金纳米线。3μg铂的析氢活性为75.3mA/cm。
▋纳米材料有助于提高电池性能
北京科技大学利用静电纺丝技术将磷酸铁钠纳米颗粒嵌入多孔掺氮碳纳米纤维中，制备了可直接用于钠离子电池的正极材料。
华中科技大学和同济大学开发了核壳碳基纳米材料，可用作自支撑双功能电极。
新加坡南洋理工大学以球磨纳米硅粉为原料，通过自上而下的锂化/去锂化工艺，制备了用于可充电锂氧电池的低层硅烯纳米片。
▋新颖的制备方法、新材料和新现象不断出现。
路易斯安那州立大学通过双金属复盐的连续吸附合成了十种负载型双金属纳米粒子。
中国科学院化学研究所采用快速生长技术获得了高质量的过渡金属二卤化物纳米线圈。
美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室合成了一维过渡金属三硫化物NbSe链。
哥伦比亚大学和德克萨斯大学埃尔帕索分校通过合成三叶螺旋桨纳米结构，合成了三维石墨烯，这是一种高性能的光电材料。
首尔大学和浦项工程大学利用手性氨基酸和多肽控制金纳米粒子的生长，制备了单一手性三维金纳米粒子。
2.重要的战略规划
美国、欧盟、日本、英国、德国等。全面实施了量子技术战略。美国讨论了未来暗物质研究的优先方向。欧盟确定了地平线欧洲的关键使能技术，日本部署了纳米技术和材料研发战略，以更好地抓住未来基础研究和技术进步重大突破的机遇。
三。发展启示建议
01
加强基础前沿领域的战略判断。
基础前沿领域取得重大突破，新的前沿和方向正在开辟。高温超导中微子和暗物质的量子技术发展迅速。同时也在探索更好的思路和实现路径，进一步把握基础前沿领域的重要研究进展和战略规划。通过综合分析与专家研判相结合，加强基础前沿领域的战略研判，有助于把握基础前沿领域的发展趋势，为国家科技决策和研究活动提供准确的前瞻性和及时的建议。
02
高度重视化学的基础作用，积极布局智能自动合成等前沿研究。
化学作为一门专注于物质合成的学科，为物理学、生物材料、能源、环境信息等学科的发展提供了坚实的基础。合成化学也是化学的基础。传统的人工批量合成方法正在受到自动合成+人工智能的挑战。合成化学一旦实现智能化、自动化，将大大提高科研水平，促进生产力的发展。因此建议中国高度重视自动合成+人工智能研究。部署重大研究项目，组织相关力量进行跨学科协同研究，重点研究有机合成数据库构建、合成路线智能设计算法、化学反应高效自动合成与检测等关键技术。
鸣谢:中国科学院化学研究所张建玲研究员审阅了本文初稿，并提出了宝贵的修改意见。谢谢大家！
参考
本文摘自《2019科学发展报告》中的《第四章科学技术领域的发展观察》一书，已删除，标题由编者添加。
中国科学院年度报告系列
2019科学发展报告
中国科学院编辑
北京:科学出版社，2020年1月。
国际标准书号978-7-03-064608-8
本报告是中国科学院发布的年度系列报告《科学发展报告》的第22篇。旨在全面总结和分析2018年国际科学研究前沿进展，判断和展望国际重要科学领域的研究发展趋势，揭示和洞察科技创新突破和快速应用的重大经济社会影响，报道和介绍我国科学家的重要科研成果。观察和总结国际重大科技领域的科研进展、战略规划和研究布局，总结和介绍我国科学研究的总体发展情况，向国家决策部门提出我国科学发展战略和政策建议，为国家促进科学发展的宏观决策提供重要依据。本报告对国家科技决策部门和各级科研管理部门具有持续、重要的学术参考价值，可供国家各级科技决策和研究管理者、科研院所、大专院校师生和社会公众阅读和参考。
