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2016年度"中国高等学校十大科技进展"入选项目

作者:2016排行榜   来源:未知   时间:2016年12月30日

一、世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件

  利用单分子构建电子器件对突破目前半导体器件微小化发展的瓶颈意义重大。实现可控的单分子电子开关功能是验证分子能否作为核心组件应用到电子器件中的关键。自上个世纪70年代以来,设计构筑稳定可控的单分子器件,探索其与微电子工艺的兼容性,并获得真正意义上的分子电子开关,在当代纳米电子学研究中具有重大的科学意义。

  郭雪峰团队围绕单分子光电子学领域开展了长达9年的潜心钻研和持续攻关。他们原创性地发展了以石墨烯为电极、通过共价键连接的稳定单分子器件的关键制备方法,解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题。在此基础上,通过功能导向的分子工程学成功地克服了二芳烯分子与石墨烯电极间强耦合作用的核心挑战性问题,从而突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。这项研究工作使得在中国诞生了世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件。这也是几十年来我国在分子电子学领域的科学研究第一次发表在《Science》杂志上。

  论文于2016年6月17日发表在《Science》上,申请了发明专利。这项研究证明功能分子可以作为核心组件来构建电子回路,为将功能分子应用到实用电子器件中迈出了关键的一步。《Science》同期配发了长篇正面评述,得到了国内外同行的广泛认可和各种媒体的亮点报道。

  二、发现原子核手征对称性和空间反射对称性的联立自发破缺

  对称性及其破缺是基本的科学问题。手征对称性(又称手性)在自然界中广泛存在,如左右手、海螺壳、某些化学和药物分子等都有手性。原子核层次的手征对称性由孟杰及其合作者于1997年预言,后来得到证实,引起广泛关注。探索原子核的手征对称性,可以获得原子核形状及其运动模式等信息,具有重要的科学意义。

  北京大学孟杰教授领导的研究团队长期致力于原子核手征对称性研究且持续取得进展:2006年预言原子核的多重手征对称性,激发国际相关研究,推动实验验证并得到证实;2011年发现手性原子核Br-80,将原子核手征对称性研究扩展到新的核区。2016年,通过重离子熔合蒸发反应,利用在束伽玛符合、带电粒子符合、线性极化等实验测量手段,在原子核Br-78中发现了宇称相反的两对手征双重带,以及表征它们之间八极关联的电偶极跃迁,给出了手征对称性和空间反射对称性联立自发破缺的证据。

  研究结果于2016年3月发表在《物理评论快报》,并被遴选为封面文章。这是核物理领域,中国学者在该刊发表的首篇封面文章。该工作发现了目前最轻的手性原子核Br-78,以及手征对称性和空间反射对称性联立自发破缺的证据,深化了对原子核复杂结构及其表现形式的认识。

  三、高效率高比冲磁聚焦霍尔推进技术

  2016年11月3日我国空间电推进技术取得重大进展,由哈尔滨工业大学于达仁、贾德昌教授团队和中国航天科技集团公司第五研究院第五〇二研究所联合研制的磁聚焦霍尔推力器HEP-100MF成功搭载长征五号运载火箭在实践十七号卫星上进行了飞行验证,这是世界首次磁聚焦霍尔推力器实现空间应用。

  目前,该磁聚焦霍尔推力器已完成了包括点火、性能标定、长稳态测试及卫星系统兼容性等所有在轨考核,各项参数均满足指标要求,其中磁聚焦与羽流发散角控制技术达到国际领先水平。

  该团队历经14年,充分发挥学科交叉的创新优势,先后突破了宽范围磁聚焦、热/电/磁耦合设计、放电低频振荡控制、低功耗高可靠空心阴极稳定放电、耐离子溅射氮化硼基特种陶瓷材料等关键技术,研制的磁聚焦霍尔推力器比冲比国际著名同类产品SPT-100提高20%,羽流发散角减小了60%,大幅降低了推力器燃料消耗,并显著降低了羽流对航天器的影响,为我国新一代长寿命航天平台提供了具有自主知识产权的新型电推进技术。该成果将为我国新一代通讯卫星、遥感卫星、空间站及深空探测提供技术支撑,是国际电推进技术发展史上的一个重要里程碑。

  四、高效钙钛矿发光器件研究

  照明对于人类文明的重要性不言而喻。从远古时期的火把、中世纪的蜡烛,到近代的油灯、现代的电灯和当代的LED,人类寻找新型光源的脚步从未停歇。当前,照明消耗了全球发电量的30%以上,探索环境友好、高效节能的照明系统愈发重要。有机无机杂化钙钛矿材料因其优异的发光性能和可大面积低成本加工的潜力,在照明与显示领域具有广阔前景。

  南京工业大学黄维院士和王建浦教授领导的创新团队是国际上最早认识到此类材料的发光潜力,并着力制备钙钛矿发光二极管器件的团队之一。2016年,他们创造性地利用溶液自组装方法制备了多量子阱结构的钙钛矿发光材料。该材料不仅保持了二维钙钛矿成膜质量高、稳定性好的优点,而且在不同带隙量子阱之间可发生快速的阶梯能量转移,有效克服了常温下二维钙钛矿激子易猝灭的缺点。在世界上首次实现了外量子效率达11.7%的高效钙钛矿电致发光器件,同时器件寿命较三维钙钛矿器件提高了两个数量级。

  系列创新性研究成果相继发表在国际顶级学术期刊上,并已申请两项发明专利。其中,代表性成果于2016年9月26日在Nature Photonics上发表,是全球首篇钙钛矿发光器件外量子效率突破10%的报道,也是目前此类器件的世界最高效率,为钙钛矿材料及其在发光领域的研究开拓了新方向。

  五、复杂电网自律-协同无功电压自动控制系统关键技术及应用

  电压是智能电网运行的核心指标。电压问题已成为全球历次重大停电事故的关键诱因,同时也是大规模可再生能源并网的一个主要障碍。复杂电网电压控制(AVC)是世界性难题,在该领域国际权威、美国一流大学课题组研究搁浅后,美国电网转而寻求与该项目组合作。

  该项目历经20余年,创造性提出了“自律+协同”的技术路线,突破了AVC从单控制中心到多控制中心、从常规电网到可再生能源电网、从中国电网到北美电网应用中的系列关键难题,研制出自主知识产权AVC系统,已在我国6大区电网、22个省级电网和6个千万千瓦级风光基地应用,控制了全国56%的常规机组与37%的风/光机组,在智能电网安全经济运行和大规模可再生能源接纳等方面取得了巨大经济社会效益。同时,该项目突破了美国三轮严酷的信息安全检查,历时3年零4个月,解答了3千余个信息安全问题,控制了包括美国首都和东部十三个州的PJM电网,实现了美国首例AVC,是我国先进电网控制系统首次出口美国。

  由教育部组织、六位院士领衔的鉴定委员会认为:项目是“重大的原创性科研成果,引领了电力系统电压控制领域的发展与技术进步”、“具有里程碑意义”。美国能源部顾问、工程院院士Prof. BOSE认为该成果“使中国在电压控制领域遥遥领先于世界”。

 
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