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中国稀土2020年度十大科技新闻

2021-01-19 11:26
 
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一、我国碳酸稀土沉淀生产首次实现自动化
  2020年,北方稀土“万吨级轻稀土碳酸盐连续化生产工艺研究及产业化”项目通过中国稀土行业协会专家评审并正式投产。该项目的投产标志着我国首次在稀土行业真正实现了碳酸稀土沉淀生产过程的连续化和自动化。

  北方稀土研发团队自主研发了轻稀土碳酸盐连续化沉淀、碳酸氢铵与氨水的混合沉淀剂和自动化控制技术,并通过技术集成解决了单级、间歇式生产造成的用水量大、废水产生量大、产品质量波动大、沉淀剂浓度较低、整个生产过程中自动化水平低等问题。研发团队从沉淀剂配置和净化设备入手,规划验证总体控制集成,并以此为依据,设计建成了原料配置净化系统、恒压供料系统和碳酸镧等连续沉淀生产线。该项目实现二氧化碳减排达80%,电耗降低29%,废水量降低40%,年节约生产成本1亿元以上。

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  二、我国科学家在量子存储领域取得重要进展

  中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在量子存储领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权等人采用飞秒激光微加工技术制备出高保真度的可集成固态量子存储器,并基于自主研制设备首次实现稀土离子的电子自旋及核自旋相干寿命的全面提升。
 
  当前固态量子存储器研究面临两方面的挑战,一方面,已有的固态量子存储实验使用的存储介质大多是块状晶体,这种材料不能直接对接光纤网络或集成光学芯片,难以实现大规模扩展性应用。另一方面,稀土离子的电子自旋及核自旋与晶体内声子相互作用,导致量子存储器的相干寿命严重受限。为了推进量子存储器的实用化,研究组从材料加工与测试装备着手对以上问题展开系统性研究。

  为解决扩展性问题,研究组采用飞秒激光微加工技术首次在掺铕硅酸钇晶体中刻蚀出光波导,研制出可集成的固态量子存储器。波导区域距晶体表面150微米,波导宽度为20微米,可以与其他微纳电子学及微纳光学器件进行集成加工。由于波导区域内的光场功率密度高,实验所需的控制激光功率相比块状晶体所需功率下降了约30倍。实验中演示了原子频率梳(AFC)以及低噪声回波恢复(ROSE)两种光量子存储方案。两种方案对应的保真度分别超过99%和97%,表明这种可集成量子存储器具有很高的可靠性。
  
  针对相干寿命受限的问题,研究组在解决了系列技术难题后,成功搭建出国际首个深低温脉冲式电子与核自旋双共振谱仪,并严格标定其最低工作温度为0.1K。在0.1K温度下,测得掺钕硅酸钇晶体的自旋回波信号的信噪比相比4K温度下提升了20倍,电子自旋的布居数寿命和相干寿命分别达到15秒和2毫秒,同时核自旋的布居数寿命和相干寿命则分别达到10分钟和40毫秒,这四项寿命指标相比4K温度下均实现超过一个数量级的提升。 

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(a)深低温电子与核自旋双共振谱仪的样品局部图(b)自旋回波信号强度与工作温度的关系

  三、新一代稀土纳米断热材料实现产业化应用新突破

  包头稀土研究院天津分院联合包头稀土研究院专家通过对三元稀土共掺杂硼化物材料的制备研究与性能筛选,成功自主研发出一款新型稀土纳米复合断热材料。该材料以稀土硼化物为基础,一方面,由于硼原子具有极强的电负性,其可以与稀土元素形成较强的作用力,使得最终形成的稀土纳米断热材料具有优异的耐酸碱性;另一方面,在形成的稀土纳米硼化物材料中,稀土元素自身的外层电子提供了大量自由电子,当入射光的光子激发时,自由电子与入射光子发生共振,从而在宏观上表现为吸热能力。此外,通过对稀土元素种类以及掺杂量的调控,可以进一步控制入射光子发生共振的波长范围。利用这种方法,使该材料成功解决了现有材料环境稳定性不足与无法对红外线进行光谱吸收的两难问题。

  天津包钢稀土研究院与成都易涂捷威科技福建体彩网 成立联合实验室,对断热材料进行深层次产品开发及中试验证。稀土纳米断热涂层产品在保证超高透过率的前提下,最终实现95%红/紫外线断热效果,将其直接涂在玻璃表面,能够在3小时内快速降温。该产品可广泛运用于节能环保型汽车和节能型建筑玻璃。

  截至2020年,已经申请发明专利三项,授权外观设计专利一项,申请商标两项。
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  四、国内外科学家合作发现世界上首个单分子驻极体

  中国人民大学物理学系季威教授、王聪博士与南京大学宋凤麒教授、厦门大学谢素原教授、伦斯勒理工学院史夙飞教授、耶鲁大学Mark A. Reed教授等研究团队合作,通过理论计算和实验测量发现了世界上首个单分子驻极体(electret)——Gd@C82,在驻极体被人类合成100年后将其物理尺寸压缩到极致的单分子水平(~1nm),这是目前人类所知最小的驻极体。

  2020年,合作团队首次在Gd@C82单分子器件中发现了单分子驻极体特征,并展示了其信息存储能力,将驻极体的尺寸极限缩小到了1nm尺度。他们在1.6 K(约-271.6 ℃)的低温下,利用电致迁移纳米间隙法,在一条约50 nm宽的金属导线上制造出了一道1nm左右的间隙,并成功构造了几个Gd@C82单分子器件(如图a所示),随后固定一个非常接近于零(2mV)的源-漏电压值,通过改变栅极电压Vg,记录不同栅极电压值时的源流电流Ids,得到两套谱线,对应两种器件状态(state 1和state 2),如图b所示,这两种状态可以通过改变栅压相互切换,在同一个单分子器件中,表现出了两套截然不同的输运特性。

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  该工作是首次在单分子水平上证明了单分子驻极体的存在,并实现了存储操作。该单分子电偶极矩的可控翻转,实际是内嵌原子的位置移动,即该器件是一种以单分子电偶极矩翻转模式运行的单原子存储器。两个不同的原子位置可以用来编码信息,为未来存储器件小型化提供一种方案,也展现出一个新兴的研究方向。

  五、国内成功研制出快速简易筛查新型冠状病毒(2019-nCoV)lgM抗体检测试剂

  为应对新型冠状病毒肺炎疫情,生物应急与临床POCT(北京市)重点实验室”召集组织联合攻关工作,合作攻关团队单位还包括上海科炎光电技术福建体彩网 、解放军总医院第五医学中心(原解放军302医院)、沈阳第六人民医院等。基于攻关团队在临床免疫诊断领域的雄厚科研基础和生物应急领域的丰富疫情响应经验,在前期研发成功新冠状病毒核酸检测试剂(荧光-PCR法)之后,又成功克隆了病毒外膜蛋白。并将该病毒外膜蛋白用做免疫诊断的抗原,研发出了10分钟快速出诊断结果的胶体金免疫检测试剂和上转发光免疫检测试剂。稀土材料在该试剂中作为核心材料发挥了关键作用,也为防控和抗击新冠疫情作出了贡献。
  
  此系列免疫试剂能快速、有效、定性检测出患者样本中的新型冠状病毒(2019-nCoV)的抗新型冠状病毒IgM抗体,它是在该病毒感染过程中人体免疫系统首先出现的抗体,在感染后较早出现,在急性期或恢复早期达到高峰。对于大面积爆发的疫情状况,可用于临床医院快速筛查,同时再结合其他临床指征进行快速诊断。

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  六、我国首台大功率船舶用稀土永磁发电机研制成功
  2020年,搭载中车株洲电机公司船舶直流组网2兆瓦永磁发电机的国产首艘油电混合大型滨海观光船“大湾区一号”成功交付。

  此次在稀土永磁发电机的整体设计上采用了全封闭结构电机,开发了新型转子冷却结构和钛合金空水冷却器,解决了大功率永磁发电机散热难题,其效率大于97%。与传统励磁同步发电机相比,体积减小30%,重量减轻35%,具有结构简单、高效、高可靠、维护量少等优点,发电机整体技术指标达到国际先进水平。

  中车直流组网电力推进系统方案具有从芯片、装备到系统的全生态链自主可控,采用稀土永磁驱动,更高效节能,具有绿色排放、舒适静音等优点。

  中车株洲电机研制出的我国首台大功率船舶永磁发电机,填补了国内该领域技术研究空白,可广泛应用于内河客货船、工程船、海上豪华邮轮、公务船、海洋工程船等。

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  七、轻质、高强、高模量稀土生物特种纤维材料取得创新成果

  高性能生物纤维是一种具有战略意义的特种材料,并以性能卓越、功能强大等特性有望应用于国防装备和医学等领域。然而发展轻质高机械性能且易加工的特种生物纤维仍是一种巨大挑战。就此而言,稀土金属元素4f5d特殊电子层结构与生物分子的特异性结合能力,为高性能特种纤维的增材制造和创新提供重要技术支撑。

  清华大学化学系刘凯副教授、张洪杰院士团队借助合成生物学技术,并充分发挥稀土在制备高技术材料领域的独特优势,通过稀土离子进行力学功能蛋白的体外翻译后修饰,强化了稀土金属离子和氨基酸侧链邻苯二酚之间的络合作用,成功制备出具有高模量和高度可塑性的稀土蛋白生物纤维。该类纤维中的杨氏模量达到10GPa,可与天然蜘蛛丝相当。另一方面,该类稀土特种纤维表现出优越的可拉伸性,高度可塑性以及强荧光性能。因此该工作为工程化制备轻质高强高模特种生物纤维提供了全新的策略,也为探索及发展新一代高技术装备材料提供了新的研究思路,对进一步发展具有高机械强度的稀土特种生物纤维具有重大指导意义。

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生物法制备稀土力学功能弹性蛋白;(b,c)稀土生物特种纤维结构示意图;(d)稀土生物特种纤维的杨氏模量;(e)稀土生物特种纤维强荧光特性;(f)稀土生物特种纤维的高度可塑性
 
  八、稀土铈(III)配合物在蓝光OLED研究中取得突破
 
  北京大学化学与分子工程学院黄春辉课题组合成了两种具有纳秒级短激发态寿命的d-f跃迁稀土铈(III)配合物Ce-1和Ce-2(图1),紫外激发下分别发射深蓝色和天蓝色光,光致发光量子产率均超过90%。经过优化,两种材料在OLED中均实现了高效蓝色发光,首次证明了铈(III)配合物在OLED中具有100%的激子利用率。此外,相较于发光颜色相近的传统的磷光铱(III)配合物器件,基于铈(III)配合物器件的工作稳定性提高近70倍。

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图1. 配合物Ce-1、Ce-2的分子结构和发光颜色

  研究人员认为,器件中的配合物可以通过具有单电子的铈(III)离子直接俘获电子和空穴,形成二重态激子并辐射发光,从而绕过传统闭壳层发光材料中自旋统计限制,实现高激子利用率的目标,而自旋和宇称允许的d-f跃迁所伴随的短激发态寿命则是器件稳定性提高的根源。

  考虑到铈(III)配合物还具有可调的发射光谱和较低的原料成本,此类发光材料不仅有望解决实际应用中高效蓝光OLED存在的难题,同时还有潜力成为新一代发光材料应用于OLED全色显示和照明。这项工作对于实现我国稀土资源高价值利用,发展具有自主知识产权的OLED发光材料具有重大意义。

  九、高强度、焊接性优异的新型镁稀土合金轧制板材面世

  伴随着国防军工对轻量化持续增长的需求,高性能的陆用无人装甲车、空投轻型装甲车等新型军工兵器对轻量化结构材料及装甲的需求越来越急迫,镁稀土合金以其低密度、高强度、耐腐蚀、优异的耐高温以及可焊接性,得到越来越广泛的研究与应用。

  中铝轻研合金科技福建体彩网 成功开发出高强度、焊接性优异的大宽幅镁稀土合金板材并实现工业化批量生产,新型镁稀土合金轧制板材抗拉强度最高可达365MPa,屈服强度310MPa,延伸率大于6%。

  中铝轻研合金还研制出强度更高的镁稀土轧制板材,该合金通过弱化部分塑性进一步优化强度,其抗拉强度大于400MPa、屈服强度大于300MPa、延伸率大于4%)。

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  十、掺杂稀土元素的近红外激发电压纳米探针用于神经元电信号在体成像

  中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室杜久林研究组与中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林、步文博研究组合作研究开发了一种可用近红外光激发的电压荧光纳米探针,成功监测了斑马鱼和小鼠脑中神经元膜电位的动态变化。

  稀土元素掺杂的上转换纳米颗粒(UCNPs)是一类近红外光激发,紫外、可见光多重发射的反斯托克斯发光纳米材料。由于其深组织穿透度、低背景荧光、多重发射的特性,已在生物成像与活体诊疗的应用中获得广泛关注。在该工作中,研究人员设计和制备了一种基于UCNPs的电压敏感探针。首先将UCNPs固定在细胞膜上,然后将六硝基二苯胺(DPA)嵌入细胞膜磷脂双分子层。在细胞静息状态下,带负电荷的DPA在细胞膜外侧富集,UCNP与DPA之间距离在10 nm以内,因此形成发光共振能量转移体系(FRET),UCNPs发光被DAP吸收,检测到的光信号较弱。当细胞去极化后,DPA在电场作用下在细胞膜内侧富集,UCNP与DPA之间距离超过10 nm,FRET效应消失,从而恢复UCNPs的发光。

  为验证该电压纳米探针在神经元电活动检测中的优势,研究人员应用该纳米探针分别检测了斑马鱼前脑神经元的嗅觉反应和小鼠新皮层神经元膜电位振荡随麻醉深度的变化。神经元的电活动具有丰富的动态性,而以往开发的基于荧光蛋白电压探针的信噪比较低,大都需要平均多次才能得到清晰的感觉反应。更严重的是,此类探针极易荧光淬灭,因此可记录时间较短,严重限制了其实用性。应用新开发的电压纳米探针,研究人员研究了斑马鱼前脑神经元对食物刺激的反应。在近红外光激发下,单次施加该食物刺激即可显著增强神经元的荧光信号,并可在连续数次刺激下稳定记录。进一步地,得益于UCNPs较低程度的淬灭,活体记录时间可长达30分钟,远高于目前的蛋白分子探针。
  该工作为设计可用近红外光激发的电压敏感探针提供了全新思路,为探究深层活体组织中神经活动开辟了实时动态监测的新方法。

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图注:电压纳米探针的设计及其感应机理。首先,UCNPs固定在神经元细胞膜上。其次,将六硝基二苯胺(DPA)嵌入细胞膜磷脂双分子层。在神经元静息状态下,带负电荷的DPA在细胞膜外侧富集,UCNP与DPA之间形成发光共振能量转移体系(FRET),UCNPs发光被DAP吸收,检测到的光信号弱。当神经元去极化后,DPA在电场作用下在细胞膜内侧富集,FRET效应减弱,从而恢复UCNPs的发光。  


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