Gerade wurden die zehn größten wissenschaftlichen Fortschritte in China im Jahr 2022 bekannt gegeben

◎ Liu Yin, Reporter der Science and Technology Daily

Am 17. März veröffentlichte das Zentrum für Hochtechnologieforschung und -entwicklung (Zentrum für Grundlagenforschung) des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie die zehn wichtigsten wissenschaftlichen Fortschritte Chinas im Jahr 2022. Das Zhurong-Patrouillenradar enthüllte die flache Schichtstruktur der Utopia-Ebene auf dem Mars und ermöglichte die Wasserstoffproduktion durch direkte Elektrolyse von Meerwasser nach einem neuen Prinzip. Unter 30 Kandidaten stachen weitere zehn wichtige wissenschaftliche Fortschritte hervor.

Die zehn größten wissenschaftlichen Fortschritte Chinas im Jahr 2022 sind nach der Anzahl der abgegebenen Stimmen:

Zhurongs Patrouillenradar enthüllt die flache Schichtstruktur der Mars-Ebene Utopia Planitia

FAST beschreibt aktive, sich wiederholende schnelle Radioblitze

Ein neues Prinzip zur direkten Wasserstofferzeugung durch Meerwasserelektrolyse

Enthüllung der Mutationsmerkmale und des Immunfluchtmechanismus des neuen Coronavirus

Entwicklung hocheffizienter Perowskit-Tandem-Solarzellen und -Module

Neues Schaltprinzip bietet neue Lösung für Hochleistungs-Massenspeicher

Quantenkohärente Synthese ultrakalter dreiatomiger Moleküle

Ethylenglykolsynthese unter milden Druckbedingungen

Entdeckung eines neuen Mechanismus zur Femtosekundenlaser-induzierten Mikro-Nanostrukturierung komplexer Systeme

Experiment bestätigt supraleitenden Zustand „segmentierte Fermi-Oberfläche“

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Zhurongs Patrouillenradar enthüllt die flache Schichtstruktur der Mars-Ebene Utopia Planitia

Detaillierte Informationen über die unterirdische Struktur und die physikalischen Eigenschaften des Mars sind der Schlüssel zur Erforschung der Entwicklung der Marsgeologie und seiner Bewohnbarkeit und stellen einen wichtigen Inhalt der Marserkundung dar.

Das Team um Chen Ling und Zhang Jinhai vom Institut für Geologie und Geophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften führte eine eingehende Analyse und Feinabbildung der Niederfrequenzradardaten des Marsrovers Zhurong durch, der etwa vier Monate unterwegs war und bis zu 1.171 Meter erfasste. Sie erhielten hochpräzise strukturelle Schichtungsbilder und Informationen zu stratigraphischen Eigenschaften in über 80 Metern Höhe über der flachen Oberfläche im südlichen Teil von Utopia Planitia. Die Studie ergab, dass es in diesem Gebiet zwei Gruppen von Sedimentabfolgen gibt, die sich unter der mehrere Meter dicken Pyrosolschicht nach oben verjüngen: Die erste Gruppe von Abfolgen befindet sich etwa 10 bis 30 Meter unter der Erde und ihre Entstehung könnte mit kurzfristigen Überschwemmungen, langfristiger Verwitterung oder wiederholten Meteoriteneinschlägen vor etwa 1,6 Milliarden Jahren zusammenhängen; Die zweite Gruppe von Sequenzen befindet sich etwa 30 bis 80 Meter unter der Erde und könnte durch ein großes Hochwasserereignis vor 3,5 bis 3,2 Milliarden Jahren abgelagert worden sein. Bisher wurden in dem Gebiet keine Hinweise auf flüssiges Wasser in einer Tiefe von über 80 Metern gefunden, die Möglichkeit von Salzeis kann jedoch nicht ausgeschlossen werden.

Diese Studie enthüllt die Feinstruktur und die physikalischen Eigenschaften der aktuellen Marsoberfläche, liefert Beobachtungsnachweise für langfristige Wasseraktivität auf dem Mars und liefert eine wichtige Grundlage für ein tieferes Verständnis der geologischen Entwicklung, der Umwelt und des Klimawandels des Mars.

Ein Selfie, das der Marsrover Zhurong neben seiner Landeplattform mit einer drahtlosen Kamera aufgenommen hat. Quelle: Nationale Weltraumbehörde. Bildquelle: China National Space Administration

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FAST beschreibt aktive, sich wiederholende schnelle Radioblitze

Schnelle Radioblitze (FRBs) sind die heftigsten explosiven Phänomene im Radioband des Universums. Ihr Ursprung ist unbekannt und sie stellen eine der größten Herausforderungen auf dem Gebiet der Astronomie dar.

Das Team von Li Di vom Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat in Zusammenarbeit mit Teams der Peking-Universität, des Zhijiang-Labors und des Shanghai Astronomischen Observatoriums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften FAST verwendet, um den weltweit ersten kontinuierlich aktiven schnellen Radioblitz FRB20190520B zu entdecken, der die größte bekannte Umgebungselektronendichte aufweist, und so die Multiband-Forschung zu FRBs effektiv vorangetrieben. Durch die Überwachung des aktiven Wiederholungsbursts FRB20201124A wurde die bislang größte FRB-Polarisationsprobe gewonnen, wobei die Änderungen des Magnetfelds in der lokalen Umgebung des FRB und seine frequenzabhängigen Polarisationsschwingungsphänomene erfasst wurden. Als Reaktion auf aktive, sich wiederholende Bursts, dargestellt durch FRB20190520B und FRB20201124A, wurde eine internationale Zusammenarbeit organisiert, insbesondere die gemeinsamen Beobachtungen zwischen dem US-amerikanischen Großteleskop GBT und FAST, die einen einzigen Parameter enthüllten, der die Umgebung um FRB beschreibt, nämlich die „RM-Dispersion“, und einen einheitlichen Mechanismus für die Entwicklung der Polarisationsfrequenz sich wiederholender schneller Radiobursts vorschlugen.

FAST bildet aktive und sich wiederholende schnelle Radioblitze sorgfältig ab und erstellt ein einheitliches Bild, das die Beobachtungsgrundlage für die endgültige Aufdeckung des Ursprungs schneller Radioblitze legt.

Chinas Sky Eye entdeckt wiederkehrende schnelle Radioblitze

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Ein neues Prinzip zur direkten Wasserstofferzeugung durch Meerwasserelektrolyse

Probleme wie Nebenreaktionen und Korrosivität durch die komplexen Bestandteile des Meerwassers stellen bei der direkten Elektrolyse von Meerwasser zur Wasserstofferzeugung seit jeher große Schwierigkeiten dar, die nur schwer zu lösen sind.

Das Team von Xie Heping von der Universität Shenzhen/Sichuan hat ein neues Prinzip und eine neue Technologie für die direkte Wasserstoffproduktion vor Ort durch Elektrolyse von Meerwasser entwickelt, indem es physikalische und mechanische Prozesse wie molekulare Diffusion und Phasengleichgewicht an der Grenzfläche mit elektrochemischen Reaktionen kombiniert. Sie haben eine theoretische Methode zur direkten Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Meerwasser durch Selbstmigration und Selbstantrieb des Phasenwechsels an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche entwickelt, einen mechanischen Antriebsmechanismus für den spontanen Phasenwechsel und Massentransfer von Meerwasser aufgrund von Grenzflächendruckunterschieden geschaffen und eine dynamische, selbstregulierende und stabile direkte Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Meerwasser durch koordinierte Meerwassermigration mit elektrochemischen Reaktionen ohne zusätzlichen Energieverbrauch erreicht.

Der unabhängig entwickelte 386 L/h H2-Prinzipprototyp hat über 3.200 Stunden lang stabil Wasserstoff in echtem Meerwasser produziert, mit einem Faraday-Wirkungsgrad von nahezu 100 % und einem Elektrolyse-Energieverbrauch von etwa 5,0 kWh/Nm3 H2. Durch die Isolierung von Meerwasserionen gelang ein technologischer Durchbruch bei der effizienten In-situ-Direktelektrolyse von Meerwasser zur Wasserstoffproduktion ohne Entsalzungsprozess, Nebenreaktionen oder zusätzlichen Energieverbrauch. Damit wurde der Grundstein für die Lösung der technischen Probleme gelegt, die die Wissenschaft und Industrie auf diesem Gebiet seit langem plagen.

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Enthüllung der Mutationsmerkmale und des Immunfluchtmechanismus des neuen Coronavirus

Es treten weiterhin mutierte Omicron-Stämme des SARS-CoV-2-Virus und deren Varianten auf. Für die Entwicklung künftiger Impfstoffe sowie die Prävention und Kontrolle von Epidemien ist es von entscheidender Bedeutung, umgehend zu analysieren, wie die mutierten SARS-CoV-2-Stämme der durch die Impfung aufgebauten Immunbarriere und der durch die Virusinfektion erzeugten menschlichen Immunität entkommen.

Die Teams von Cao Yunlong und Xie Xiaoliang von der Peking-Universität und dem Beijing Changping Laboratory haben in Zusammenarbeit mit dem Team von Wang Xiangxi vom Institut für Biophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften als erste den humoralen Immunfluchtmechanismus und die Mutationsevolutionsmerkmale des neuen mutierten Coronavirus-Stamms Omicron und seines neuen Subtyps sowie den Fluchtmechanismus des neutralisierenden Antikörpers Omicron BA.1 und seinen Zusammenhang mit den strukturellen Merkmalen des viralen Spike-Proteins aufgedeckt. Sie fanden heraus, dass die Omicron-Mutationen BA.4/BA.5 den neutralisierenden Antikörpern entgehen können, die nach einer menschlichen Infektion mit BA.1 produziert werden. Dies beweist, dass es schwierig ist, durch eine Omicron-Infektion eine Herdenimmunität zu erreichen, um die Ausbreitung des neuen Coronavirus zu blockieren. Auf der Grundlage der unabhängig entwickelten Hochdurchsatz-Mutationsscantechnologie konnten sie erfolgreich die Mutationsstellen für die Immunflucht in der Rezeptorbindungsdomäne des neuen Coronavirus vorhersagen und prospektiv breitbandige neutralisierende Antikörper für das neue Coronavirus herausfiltern.

Die einschlägige Forschung liefert eine theoretische Grundlage und Gestaltungsrichtlinien für die Entwicklung breitbandiger Impfstoffe und Antikörpermedikamente gegen das neue Coronavirus und stellt eine wichtige Referenz für die weltweite Prävention und Kontrolle der Epidemie des neuen Coronavirus dar.

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Entwicklung hocheffizienter Perowskit-Tandem-Solarzellen und -Module

Perowskit-Tandem-Solarzellen haben den Vorteil einer kostengünstigen Lösungsverarbeitung und bieten wichtige Aussichten für die großflächige Anwendung von Dünnschicht-Solarzellen. Allerdings ist die photoelektrische Umwandlungseffizienz von Vollperowskit-Tandemzellen immer noch geringer als die von Perowskitzellen mit Einzelübergang. Die hohe Oberflächendefektdichte von Perowskitkörnern mit schmaler Bandlücke ist der Hauptengpass, der die Verbesserung der Effizienz von Tandemzellen einschränkt.

Das Team von Tan Hairen an der Universität Nanjing hat die Polarität der Passivierungsmoleküle so gestaltet, dass ihre Adsorptionsstärke an den Defektstellen auf der Oberfläche von Perowskitkörnern mit schmaler Bandlücke verbessert wird. Dadurch wird die Defektpassivierung deutlich verbessert und die Effizienz von Perowskit-Stapelzellen deutlich gesteigert. Nach unabhängigen Tests durch das Japan Electrical Safety and Environmental Research Institute (JET), einer international anerkannten Prüforganisation, erreichte die Effizienz der Tandemzelle 26,4 %, was einen neuen Rekord für Perowskitzellen darstellt und erstmals Perowskitzellen mit Einzelübergang übertrifft, was mit der höchsten Effizienz herkömmlicher kristalliner Siliziumzellen auf dem Markt vergleichbar ist.

Das Team hat eine massenproduzierbare Herstellungstechnologie für großflächige laminierte Photovoltaikmodule entwickelt. Dabei wird eine dichte, konforme Halbleiterschicht verwendet, um den Kontakt zwischen dem Perowskit und der metallischen Rückelektrode im Verbindungsbereich des Moduls zu blockieren. Dadurch werden die Photovoltaikleistung und -stabilität des Moduls deutlich verbessert und ein international zertifizierter Wirkungsgrad des laminierten Moduls von 21,7 % (Fläche 20 cm2) erreicht.

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Neues Schaltprinzip bietet neue Lösung für Hochleistungs-Massenspeicher

Hohe Speicherdichte und enorme Speicherkapazitäten sind die größten Engpässe bei der Entwicklung der Informationstechnologie und der digitalen Wirtschaft im Zeitalter von Big Data.

Das von Song Zhitang und Zhu Min vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitete Team hat ein neues Schaltgerät erfunden, das auf dem Schnittstelleneffekt von Einzelelement-Tellur- und Titannitridelektroden basiert. Dieses Gerät nutzt die einzigartigen Vorteile des schnellen Schmelzens und Kristallisierens von Tellur sowie des geringen Stromverbrauchs in der zweidimensionalen, begrenzten Struktur im Nanomaßstab voll aus. Im „Ein-Zustand“ befindet sich Tellur in einem geschmolzenen Zustand und ist metallähnlich. Es bildet einen ohmschen Kontakt mit der Titannitridelektrode und sorgt so für eine starke Stromübertragungskapazität. Im „Aus-Zustand“ bilden das Halbleiter-Einzelelement Tellur und die Titannitridelektrode eine Schottky-Barriere, die den Strom vollständig unterbricht.

Dieses neue Schaltgerät für den Kristall-Flüssigkeits-Übergang verfügt über einfache Komponenten und kann das Problem der Komponententrennung überwinden, das durch komplexe Komponenten von bidirektionalen Schwellenwertschaltern (OTS) verursacht wird. Der Prozess ist mit CMOS kompatibel und kann extrem miniaturisiert werden, wodurch eine massive dreidimensionale Integration leicht erreicht werden kann. Der Schalter weist eine hervorragende Gesamtleistung mit einem Antriebsstrom von 11 MA/cm2, einer Ermüdungslebensdauer von >108-mal und einer Schaltgeschwindigkeit von etwa 15 ns auf. Insbesondere kann die Lebensdauer des Schalters erheblich verbessert werden, wenn keine Telluratome verloren gehen. Diese Forschung bietet neue technische Lösungen für die Entwicklung von Massenspeichern und Near-Memory-Computing.

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Quantenkohärente Synthese ultrakalter dreiatomiger Moleküle

Die Verwendung hochgradig steuerbarer ultrakalter Moleküle zur Simulation komplexer und schwer zu berechnender chemischer Reaktionen ermöglicht präzise und umfassende Untersuchungen komplexer Systeme.

Seit Deborah Jins Forschungsgruppe an der University of Colorado im Jahr 2003 zweiatomige Kaliummoleküle aus ultrakaltem Atomgas synthetisierte, wurden in anderen Laboren zahlreiche weitere ultrakalte zweiatomige Moleküle hergestellt und in der Forschung zur ultrakalten Chemie und Quantensimulation breit eingesetzt. Die Energieniveaustruktur dreiatomiger Moleküle lässt sich theoretisch nur schwer berechnen und experimentell nur äußerst schwer manipulieren. Daher war die Herstellung ultrakalter dreiatomiger Moleküle schon immer eine enorme experimentelle Herausforderung.

Die Teams von Pan Jianwei und Zhao Bo von der University of Science and Technology of China haben in Zusammenarbeit mit dem Team von Bai Chunli vom Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mithilfe der Radiofrequenzsynthesetechnologie erstmals ein ultrakaltes dreiatomiges Molekül in einer Mischung aus Natrium-Kalium-Grundzustandsmolekülen und Kaliumatomen in der Nähe der Molekül-Atom-Feshbach-Resonanz kohärent synthetisiert. Diese Forschung eröffnet neue Richtungen für das Studium der ultrakalten Chemie und der Quantensimulation.

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Ethylenglykolsynthese unter milden Druckbedingungen

Derzeit liegt der weltweite Jahresbedarf an Ethylenglykol bei mehreren zehn Millionen Tonnen und wird hauptsächlich aus der Petrochemie gewonnen. Um die externe Abhängigkeit von Ethylenglykol zu reduzieren, arbeiteten wissenschaftliche Forschungseinrichtungen, vertreten durch das Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, mit Unternehmen zusammen und entwickelten im Jahr 2009 ein komplettes Set an Technologien zur Umwandlung von Kohle oder Synthesegas in Ethylenglykol durch Esterhydrierung auf einer 10.000-Tonnen-Ebene, die nicht auf Erdöl basieren. Dieser technische Weg birgt jedoch Sicherheitsrisiken und die Reinheit und Qualität der Ethylenglykolprodukte ist instabil.

Die von Xie Suyuan und Yuan Youzhu von der Universität Xiamen geleiteten Teams verwendeten in Zusammenarbeit mit Forschern des Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Xiamen Funa New Materials Technology Co., Ltd. Fulleren C60 als „Elektronenpuffer“, um Kupfer-Silica-Katalysatoren zu modifizieren. Sie entwickelten einen Kupfer(I)-Fulleren-Kupfer-Siliziumdioxid-Katalysator, der zur Stabilisierung des Katalysators eine C60-Elektronenpufferung nutzt. Ihnen gelang die Fulleren-gepufferte, kupferkatalysierte Synthese von Ethylenglykol aus Dimethyloxalat im Maßstab von mehreren Kilogramm unter milden Druckbedingungen, wodurch die Abhängigkeit von Erdöltechnologie verringert werden soll.

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Entdeckung eines neuen Mechanismus zur Femtosekundenlaser-induzierten Mikro-Nanostrukturierung komplexer Systeme

Wenn Femtosekundenlaser auf ein Material fokussiert werden, treten verschiedene stark nichtlineare Effekte auf. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie unter solch extremen Bedingungen ist voller Unbekannter und Herausforderungen.

Das Team von Qiu Jianrong an der Zhejiang-Universität und seine Mitarbeiter haben einen neuen Mechanismus für die Bildung von Mikro-Nanostrukturen in komplexen Systemen entdeckt, die durch Femtosekundenlaser induziert werden. Am Beispiel des Oxidglassystems, das Chlorid-, Bromid- und Iodionen enthält, gelang die 3D-Direktlithographie von Perowskit-Nanokristallen mit steuerbarer Zusammensetzung und Bandlücke sowie einstellbarer Lumineszenz im Glas, die eine Lumineszenz in verschiedenen Farben wie Rot, Orange, Gelb, Grün und Blau zeigten. Die gebildeten Nanokristalle zeigen eine bemerkenswerte Stabilität unter Ultraviolettbestrahlung, Eintauchen in organische Lösungen und einer Hochtemperaturumgebung von 250 °C. Darüber hinaus wurde die Fähigkeit dieser 3D-Mikronanostruktur demonstriert, Informationen mit ultragroßer Kapazität und langer Lebensdauer zu speichern und ein dynamisches dreidimensionales Farbhologramm-Display auf 1080p-Ebene mit hochstabiler minimaler Pixelgröße von Micro-LED-Arrays im Mikrometerbereich zu erreichen.

Diese Errungenschaft enthüllt die Gesetze der durch Femtosekundenlaser induzierten räumlich selektiven Phasentrennung und des Ionenaustauschs im mesoskopischen Maßstab und eröffnet neue technische Prinzipien für die dreidimensionale Extremfertigung mit Femtosekundenlasern.

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Experiment bestätigt supraleitenden Zustand „segmentierte Fermi-Oberfläche“

Die Fermi-Fläche bestimmt viele physikalische Eigenschaften fester Materialien, beispielsweise elektrische und optische Eigenschaften. Die künstliche Kontrolle der Fermi-Fläche ist die wichtigste Methode zur Kontrolle der physikalischen Eigenschaften von Materialien. Supraleiter haben keine Fermi-Oberfläche, da sie auf dem Fermi-Niveau eine Energielücke aufweisen. Im Jahr 1965 sagte Peter Fulde theoretisch voraus, dass die Bewegung der Cooper-Paare in einem Supraleiter und die Erhöhung ihres Impulses zum Zerbrechen der Cooper-Paare führen würde und in der supraleitenden Energielücke eine spezielle „segmentierte Fermi-Oberfläche“ entstehen könnte.

Die Teams von Jia Jinfeng und Zheng Hao von der Shanghai Jiao Tong University haben in Zusammenarbeit mit dem Team von Fu Liang vom MIT ein Heteroübergangssystem aus topologischem Isolator/Supraleiter (Bi2Te3/NbSe2) entworfen und vorbereitet. Sie induzierten Supraleitung in Bi2Te3 mit Hilfe des supraleitenden Proximity-Effekts und verwendeten ein horizontales Magnetfeld, um einen kleineren Cooper-Paarimpuls im System zu erzeugen. Dank des einzigartigen Vorteils der extrem hohen Fermi-Geschwindigkeit des topologischen Oberflächenzustands von Bi2Te3 wurden die Cooper-Paare im topologischen Oberflächenzustand aufgebrochen und diese spezielle „segmentierte Fermi-Oberfläche“ schließlich realisiert und beobachtet, wodurch die vor 58 Jahren gemachte theoretische Vorhersage erfolgreich bestätigt wurde. Diese Forschung hat neue Methoden zur Kontrolle des Materiezustands und zur Konstruktion neuer topologischer Supraleiter eröffnet.

Quelle: Science and Technology Daily