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来源： 发布时间：2019-09-20
气候环境
多尺度气候变化“西风模态”形成的物理机制
兰州大学西部环境教育部重点实验室陈发虎院士主导的气候环境变化研究团队系统总结了近20年在亚洲中纬度地区所获成果，论证了亚洲中部干旱区在现代间冰期千年—百年—年代际时间尺度上皆存在显著不同于季风区的气候变化“西风模态”，提出了多尺度气候变化“西风模态”形成的物理机制。研究论文发表于Earth-Science Reviews。从大尺度环流系统的角度，亚洲大陆基本可划分为主要受中纬度西风环流控制的“西风亚洲”和主要受季风环流控制的“季风亚洲”。通过在亚洲中部干旱区开发和集成高质量气候环境代用记录，整合模拟结果、观测数据以及再分析资料，并与东部典型季风区同期气候环境变化进行综合对比，获得科学发现。
植物物种丰富度对气候变化的响应更大程度上决定于所移栽地点的植物群落物种丰富度
中国科学院青藏高原研究所和中国科学院地球科学卓越中心汪诗平研究员课题组利用山体垂直带双向移栽植物群落试验，验证了气候以及追踪气候变化的群落将共同影响植物物种丰富度对气候变化响应的假设。研究论文发表于Journal of Ecology。该试验在青藏高原进行了10年观测，将不同海拔高度3个带土移栽的植物群落进行双向移栽，从高海拔移到低海拔为暖湿变化，从低海拔移到高海拔为冷干变化。同海拔高度移栽的群落作为对照代表了追踪气候变化的群落。结果表明，在接受地群落从追踪气候变化的物种中所获得的物种数、而不是原群落丧失的物种数，很好地解释了物种丰富度的变化。
氨减排降低大气霾污染的同时加剧酸雨问题
北京大学环境科学与工程学院、环境模拟与污染控制国家重点联合实验室（北京大学）的地气交换研究小组与中国气象科学研究院、中国科学院地球环境研究所、香港科技大学和四川大学等10余家单位合作，基于多年氨通量观测和自主研发的氨排放模型，结合三维空气质量数值模拟，评估了中国氨排放削减潜力，重点揭示其对大气霾（PM2.5）污染、氮沉降和酸雨的复杂的综合效应。研究论文发表于PNAS（《美国科学院院刊》）。研究表明，中国目前高强度的氨排放主要是由粗放的农业生产模式导致的。如果提高氮肥施用效率和加强畜牧业养殖的粪尿管理，全国氨气年排放量可下降50%。
太湖沉积物Cr迁移转化研究进展
中国科学院南京地理与湖泊研究所丁士明研究小组在大型富营养淡水湖泊沉积物Cr迁移转化及其机制方面取得新进展。系列研究成果发表于Environmental Science & Technology和Science of The Total Environment。铬（Cr）作为重金属，由于其毒性、致突变性和致癌性，引起人们的广泛关注。由于在工业上的广泛使用，Cr已成为自然水体、土壤、沉积物和空气中的重要污染物。在水生态系统中，Cr主要以Cr(III)和Cr(VI)两种氧化态存在，Cr(VI)的毒性远远高于Cr(III)的。随着全球变暖和人类活动的增加，越来越多淡水湖泊富营养化并遭受蓝藻水华灾害。蓝藻的大量繁殖可直接或间接使沉积物中Cr迁移转化进一步复杂化。
人类活动对气候变化的影响早于20世纪
中国科学院大气物理研究所东亚区域气候—环境院重点实验室马柱国研究团队的段建平副研究员，联合英国气象局哈德莱中心武培立博士等国内外10位共同作者，从气温的季节性变化（夏—冬温差）入手，利用观测资料、树轮等代用资料和气候模式资料检测了人类活动对气温变化影响的早期信号及开始时间。研究论文发表于Nature Sustainability。研究结果表明，人类活动对气候变化的影响不只是发生在了近几十年观测资料丰富的时段，而是始于工业化早期的19世纪70年代左右，其影响也远不只是气温的升高和极端气候事件的频发，而且“淡化”了气温的季节差异，使得四季越来越不分明。
污水再生处理反渗透膜生物污堵控制进展
清华大学环境学院胡洪营教授课题组开展了氯消毒显著加重污水再生处理反渗透膜生物污堵的研究。研究论文发表于Water Research。RO膜（反渗透膜）的生物污堵是污水再生处理RO工艺高效、稳定运行面临的突出难题。目前主要通过消毒预处理削减RO系统进水中的微生物量、在运行中投加非氧化性抑菌剂等手段对其进行控制。该研究发现了污水再生处理RO系统中氯消毒加重膜污堵的现象，从群落结构角度，分析了消毒预处理对生物污堵的影响，解析了机理，打破了RO系统利用氯消毒预处理控制生物污堵的传统理念，为从微生物群落结构视角控制RO膜生物污堵奠定了基础。
黑臭河道底泥内源修复研究进展
中国科学院南京地理与湖泊研究所尹洪斌等选取巢湖主要支流南淝河底泥作为研究对象，室内研究了底泥疏浚、原位钝化（控氮+控磷材料）以及曝气增氧对底泥内源的控制效果。在120天的研究中发现，3种技术对上覆水氮磷的控制存在较大差异。系列研究结果发表于Science of the Total Environment和Chemical Engineering Journal。目前，国际上通用的3种底泥内源治理方法包括：底泥疏浚、原位钝化、原位曝气（增氧）。3种方法均在不同情境的水环境治理中有应用，也取得了一定的效果。论文系统研究了各种方法的优势、对底泥内源削减效果以及对沉积物微生物群落组成以及长期内源削减效应。
中国大陆人群汞摄入暴露健康风险地图
华东师范大学地理科学学院束炯教授团队及其合作者开展了中国大气汞排放的跨省健康影响的研究，建立了一套描述从经济活动到人群健康风险的汞生物地球化学循环链的方法，绘制了中国大陆人群汞摄入暴露的健康风险地图，从多视角探讨了各地区健康风险来源。最终发现，地区间贸易改变了中国人群的健康风险。研究论文发表于Nature Communications。汞（俗称水银）是常温常压下唯一以液态存在的金属，常温下即可蒸发。人类活动诸如化石燃料燃烧、有色金属冶炼等过程均会排放汞进入大气，大气汞随大气环流进行全球传输，是全球性的持久有毒污染物。大气汞也会随降水等过程沉降到陆地和海洋生态系统，并富集到食物链中。
物理前沿
用一维声子晶体探测三维外尔物理
武汉大学物理科学与技术学院邱春印教授、刘正猷教授等在合成空间中首次实现拓扑声学，揭示了利用易于实现和检测的低维声学系统探测高维拓扑现象的可能性。研究成果发表于Physics Review Letters。外尔(Weyl)半金属是一种三维固体材料，具有许多独特的特性，如手性异常和拓扑费米弧表面态等。文章利用简单的一维声子晶体外加两个额外的结构参数，构造、合成了虚拟的三维空间以及外尔点，探索外尔材料中的物理现象。基于精确的超声实验，直接观察到了合成空间中的外尔点，验证了与合成外尔点拓扑稳定性相关的反射相位奇异性，进而检测了该合成体系中的拓扑非平庸界面态及其传输特性。
基于外尔半金属TaIrTe4的原型器件的拓扑特性的光电探测性能的研究进展
北京大学物理学院量子材料中心的孙栋研究团队与合作者探究了外尔半金属拓扑特性对其非线性光学效应的影响，并通过引入拓扑效应实现了基于半金属的光电探测器的响应度在中红外波段的巨大提升。研究论文发表于Nature Materials。该工作主要利用的拓扑效应是外尔半金属的外尔点附近具有发散的贝里曲率，使得跟贝里场相关的位移电流响应在外尔点附近受到明显的增强；而能量越低的光子造成的跃迁会越接近外尔点，受到增强的效果也就越明显。将该拓扑效应与光探测性能相结合，得以使基于拓扑半金属的原型光电探测器的响应度在中红外波段得到3个量级的增强，从而打破了过去半金属光电探测的主要技术瓶颈。
二硫化钼中晶界在催化析氢中的重要作用
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室张广宇研究团队与北京大学江颖教授及南开大学张立新教授课题组合作，发展了一种全新的激活和优化二硫化钼基面催化活性的方法。研究论文发表于Nature Communications。论文以大面积、高质量的单层二硫化钼为实验对象，结合前期发展的表面诱导相变技术，研究了一系列具有不同晶畴和相畴密度的样品的析氢催化活性。通过对基面不同区域的电催化局域测量，他们发现2H-2H畴区边界和2H-1T相边界都可作为基面上有效的催化活性位点；且相较之下，2H-1T相边界比2H-2H畴区边界更具催化活性。
纳米孔的离子选择性增强传输
中国科学院近代物理研究所材料研究中心科学家将氧化石墨烯膜制备技术与核孔膜技术相结合，制备出氧化石墨烯膜/聚合物复合纳米孔结构，用以开展复合结构中的离子传输特性研究。研究论文发表于ACS Applied Materials & Interfaces。文章利用兰州重离子加速器提供的高能重离子对PET聚合物进行辐照，再结合非对称化学蚀刻得到PET锥形纳米孔，然后利用旋涂法在PET纳米孔上制得氧化石墨烯薄膜（GOM），形成GOM/PET复合结构。氧化石墨烯膜与核孔膜相结合，在提高阳离子通量的同时，抑制了阴离子的传输，使得体系的离子整流系数从4.6增加到238.0，实现了溶液中阳离子的选择性增强传输。
高温高强非晶合金材料新体系
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心柳延辉、汪卫华研究组和美国耶鲁大学、约翰霍普金斯大学、日本东北大学等合作，用材料基因工程方法发现高温非晶合金。研究论文发表于Nature。采用材料基因工程理念开发了独特的高通量实验方法，在高性能非晶合金的成分设计和探索中取得突破，实现了非晶合金的快速筛选，研制出高温高强非晶合金材料新体系。高通量实验方法在非晶合金领域创造性的应用，有望突破成分多样性和复杂性造成的非晶合金材料探索所遇到的瓶颈，解决非晶合金的形成能力问题，实现非晶合金新材料的高效探索，获得更多高性能非晶合金材料，拓宽非晶合金的应用范围。
量子纠缠光源研究进展
中山大学物理学院王雪华教授团队与奥地利林茨大学Armando Rastelli教授等合作者，研制出综合性能俱佳的“三高”量子纠缠光子对源。研究成果发表于Nature Nanotechnology。量子光源是量子信息和量子光电集成芯片不可或缺的量子器件。量子点（或其他辐射子）的量子光源可以根据需要由外部电脉冲或光脉冲触发来产生确定性的单光子或纠缠光子对。科学家基于量子光辐射控制理论，提出一种能克服光子侧向和背向泄露且能极大提高光子前向出射的新型微纳“射灯”结构，其单光子理论收集效率在较大的带宽中超过90%、最高可达95%。三大核心微纳制备技术保障了该“射灯”结构量子光源的实验制备。
微环境湿度调节新策略“湿泵”
上海交通大学机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王如竹教授团队提出了一种适用于小空间湿度控制的全固态“湿泵”，实现了固体制冷和吸附除湿技术的优势互补。研究论文发表于Joule。论文中提出的“湿泵”可以将空气中的水分从低湿度空间搬运至高湿度空间，从而实现对湿度的主动控制。通过构建系统级的动态计算模型，使用商用热电模块和硅胶除湿剂搭建了概念验证样机。通过特殊的涂层工艺和紧凑的结构设计，降低固态系统的接触热阻与传质阻力。典型工况下的测试结果优于其他已报道的小型除湿系统。此外，该除湿装置可以有效避免传统技术中制冷剂、冷凝水、溶液等产生的副作用。
超导量子计算在强关联纠缠体系的量子随机行走实验研究进展
中国科学技术大学潘建伟、朱晓波和彭承志等组成的超导量子实验团队，联合中国科学院物理研究所范桁等理论小组，将超导量子比特应用到量子随机行走的研究中，研究成果对未来多体物理现象的模拟及利用量子随机行走进行通用量子计算研究将产生重要影响。相关论文发表于Science。量子计算的基础研究和应用开发不断受到各国政府的高度关注，也得到了包括Google、IBM、Intel、华为、腾讯、阿里巴巴等在内的各大型公司的直接投入。超导量子计算作为固态量子计算方案，其内在的优势就在于其工艺上就具有良好的可扩展性。然而在不断集成更多的量子比特的同时，如何保证所有量子比特的质量是目前最大的挑战。
神经领域新科技
仿生三维神经电极研究新进展
清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组与浙江清华柔性电子技术研究院、浙江大学谢涛教授团队合作，开展用于外周神经电刺激与信号采集的形状记忆基仿攀爬缠绕电极的研究。研究成果发表于Science Advances。外周神经电刺激与信号采集在治疗一些药物难治性疾病如癫痫、抑郁、心衰、假肢等方面具有十分重要的临床意义。研究团队通过力学理论并与信息、材料、化学等学科深度交叉，发展了一种能够在体温驱动下自动攀爬至外周神经束上的三维螺旋形缠绕电极，依靠自然粘附形成稳定且柔性的电极—神经束界面，为外周神经调控技术在临床上的应用提供了新思路。
柔性可拉伸传感器研究进展
中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所微创中心王磊研究员等开展了基于微通道结构设计的室温液态金属超高可拉伸传感器研究，提出了一种微通道的优化设计，提高基于液态金属柔性可拉伸传感器的灵敏度。研究成果发表于Scientific Reports。柔性传感器是可穿戴医疗、机器人等领域的研究热点。柔性应变传感器已经成为未来发展智能器件的重点研究方向，其在人机交互系统、电子皮肤、人体运动行为监测系统等领域具有广阔的应用前景。研究团队利用有限元仿真优化结果，设计制备柔性可拉伸传感器，为实现人体手指、手腕等关节等运动精准测量提供了可行性方法。
活体绘制脑功能连接组
浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所王菁教授（Anna Wang Roe）团队突破了一项脑网络研究新方法，他们借助7T功能磁共振系统（fMRI）的成像优势，并结合红外光神经刺激（Infrared Neural Stimulation），开发出红外光神经刺激功能磁共振整合技术（INS-fMRI），并在活体脑中获得亚毫米级的脑连接组，使我们能更快速、更系统、更清晰地看清“大脑交通图”，了解信息的传递。研究论文发表于Science Advances。该方法可以被用于系统性地逐个刺激皮层功能柱，从而全面地描绘灵长类亚毫米水平连接组。这项新技术将为绘制高分辨率功能柱的全脑网络图奠定基础，为大规模全脑功能连接研究奠定基础。
智能交通人机协同研究进展
中国科学院自动化研究所作为第一作者和通信作者单位与英国克兰菲尔德大学、清华大学、美国印第安纳大学—普渡大学印第安纳波利斯分校、西安交通大学等单位合作研发了平行驾驶系统，研究成果发表于IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine。平行驾驶系统是以“ACP平行理论”为基础，兼具运营管理、在线状态监测、应急驾驶安全接管等功能的先进云端网联自动驾驶管控系统。平行驾驶系统能够真正解决人机协同混合智能的建模、车车通信、车路通信和车云通信问题，并显著降低智能车系统的开发成本，高性能计算实验控制模块可提升现有的无人驾驶汽车安全系数。
大规模神经元形态重建和分析
厦门大学信息学院智能科学与技术系张俊松与国内外科学家合作，提出一种新的三维神经元簇重建工具G-Cut。研究成果发表于Nature Communications。为了度量神经元胞体与神经突起间的关联性，从已有的带有标注的大规模神经元形态学数据集统计分析得到其规律和形态学信息。然后将神经元簇的重建问题转化为神经突起之间连接所形成的拓扑连接图的图分割问题，并结合神经元形态学规律和信息，在所有的神经突起与神经元胞体的关联性中寻找重建问题的最优解。通过在不同的合成数据集及真实的脑组织图像数据集上测试，和已有的方法相比，G-Cut在不同密度和不同规模的神经元簇图像上均获得了更高的重建正确率。
感知抉择皮层环路机制因果性研究新进展
中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室徐宁龙研究组解答了一个具有广泛争议的科学问题：后顶叶皮层及相关神经环路在抉择过程中发挥什么作用——后顶叶皮层在信息归类感知抉择中的因果性作用。研究成果发表于Nature Neuroscience。后顶叶皮层（Posterior Parietal Cortex，PPC），是大脑中一个处理多种感觉、运动信息的联合脑区，能够接收来自视觉系统、听觉系统和躯体感觉系统的信息传入，同时它的主要输出目标是与运动相关的脑区：背外侧前额叶皮层、次级运动皮层、额叶视区、纹状体等。其在大脑网络中处在感觉—运动整合的关键枢纽位置。
新型精准基因治疗实现视觉修复
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授课题组与中国科学院神经科学研究所仇子龙研究员课题组合作，开发出新型精准基因编辑方法，并结合遗传性视网膜色素变性动物模型，实现了对视网膜色素变性小鼠在体精准基因矫正和视觉修复的治疗。研究论文发表于Science Advances。视网膜遗传性疾病的发生，会导致患者视觉损伤，严重影响了患者的生活质量。视网膜色素变性作为一种常见的遗传性眼科疾病，其表征为患者在出生后伴随着严重的夜盲，视觉区域逐渐减小直至彻底失明。CRISPR-Cas9基因编辑是治疗遗传性疾病的潜在手段之一。
恐惧情绪的新环路
浙江大学医学院李晓明教授课题组发现了一条由丘脑网状核介导的从皮层至丘脑的神经环路，参与调控动物恐惧性逃避行为。研究成果发表于Nature Neuroscience。恐惧是一种当机体面临可能会对生存产生威胁性刺激时产生的情绪反应。对于生物体而言，面对危险性刺激产生迅速有效的应对是保障物种生存和延续的关键。在长期的进化过程中，面对不同的环境时，生物体往往会进化出适应性的行动策略。该研究利用光遗传技术双向证明了皮层—丘脑网状核—丘脑这样一条三级环路在调控动物的防御性逃跑行为中的关键作用，该环路是杏仁核介导的恐惧行为的重要上游。科
多尺度气候变化“西风模态”形成的物理机制
兰州大学西部环境教育部重点实验室陈发虎院士主导的气候环境变化研究团队系统总结了近20年在亚洲中纬度地区所获成果，论证了亚洲中部干旱区在现代间冰期千年—百年—年代际时间尺度上皆存在显著不同于季风区的气候变化“西风模态”，提出了多尺度气候变化“西风模态”形成的物理机制。研究论文发表于Earth-Science Reviews。从大尺度环流系统的角度，亚洲大陆基本可划分为主要受中纬度西风环流控制的“西风亚洲”和主要受季风环流控制的“季风亚洲”。通过在亚洲中部干旱区开发和集成高质量气候环境代用记录，整合模拟结果、观测数据以及再分析资料，并与东部典型季风区同期气候环境变化进行综合对比，获得科学发现。
植物物种丰富度对气候变化的响应更大程度上决定于所移栽地点的植物群落物种丰富度
中国科学院青藏高原研究所和中国科学院地球科学卓越中心汪诗平研究员课题组利用山体垂直带双向移栽植物群落试验，验证了气候以及追踪气候变化的群落将共同影响植物物种丰富度对气候变化响应的假设。研究论文发表于Journal of Ecology。该试验在青藏高原进行了10年观测，将不同海拔高度3个带土移栽的植物群落进行双向移栽，从高海拔移到低海拔为暖湿变化，从低海拔移到高海拔为冷干变化。同海拔高度移栽的群落作为对照代表了追踪气候变化的群落。结果表明，在接受地群落从追踪气候变化的物种中所获得的物种数、而不是原群落丧失的物种数，很好地解释了物种丰富度的变化。
氨减排降低大气霾污染的同时加剧酸雨问题
北京大学环境科学与工程学院、环境模拟与污染控制国家重点联合实验室（北京大学）的地气交换研究小组与中国气象科学研究院、中国科学院地球环境研究所、香港科技大学和四川大学等10余家单位合作，基于多年氨通量观测和自主研发的氨排放模型，结合三维空气质量数值模拟，评估了中国氨排放削减潜力，重点揭示其对大气霾（PM2.5）污染、氮沉降和酸雨的复杂的综合效应。研究论文发表于PNAS（《美国科学院院刊》）。研究表明，中国目前高强度的氨排放主要是由粗放的农业生产模式导致的。如果提高氮肥施用效率和加强畜牧业养殖的粪尿管理，全国氨气年排放量可下降50%。
太湖沉积物Cr迁移转化研究进展
中国科学院南京地理与湖泊研究所丁士明研究小组在大型富营养淡水湖泊沉积物Cr迁移转化及其机制方面取得新进展。系列研究成果发表于Environmental Science & Technology和Science of The Total Environment。铬（Cr）作为重金属，由于其毒性、致突变性和致癌性，引起人们的广泛关注。由于在工业上的广泛使用，Cr已成为自然水体、土壤、沉积物和空气中的重要污染物。在水生态系统中，Cr主要以Cr(III)和Cr(VI)两种氧化态存在，Cr(VI)的毒性远远高于Cr(III)的。随着全球变暖和人类活动的增加，越来越多淡水湖泊富营养化并遭受蓝藻水华灾害。蓝藻的大量繁殖可直接或间接使沉积物中Cr迁移转化进一步复杂化。
人类活动对气候变化的影响早于20世纪
中国科学院大气物理研究所东亚区域气候—环境院重点实验室马柱国研究团队的段建平副研究员，联合英国气象局哈德莱中心武培立博士等国内外10位共同作者，从气温的季节性变化（夏—冬温差）入手，利用观测资料、树轮等代用资料和气候模式资料检测了人类活动对气温变化影响的早期信号及开始时间。研究论文发表于Nature Sustainability。研究结果表明，人类活动对气候变化的影响不只是发生在了近几十年观测资料丰富的时段，而是始于工业化早期的19世纪70年代左右，其影响也远不只是气温的升高和极端气候事件的频发，而且“淡化”了气温的季节差异，使得四季越来越不分明。
污水再生处理反渗透膜生物污堵控制进展
清华大学环境学院胡洪营教授课题组开展了氯消毒显著加重污水再生处理反渗透膜生物污堵的研究。研究论文发表于Water Research。RO膜（反渗透膜）的生物污堵是污水再生处理RO工艺高效、稳定运行面临的突出难题。目前主要通过消毒预处理削减RO系统进水中的微生物量、在运行中投加非氧化性抑菌剂等手段对其进行控制。该研究发现了污水再生处理RO系统中氯消毒加重膜污堵的现象，从群落结构角度，分析了消毒预处理对生物污堵的影响，解析了机理，打破了RO系统利用氯消毒预处理控制生物污堵的传统理念，为从微生物群落结构视角控制RO膜生物污堵奠定了基础。
黑臭河道底泥内源修复研究进展
中国科学院南京地理与湖泊研究所尹洪斌等选取巢湖主要支流南淝河底泥作为研究对象，室内研究了底泥疏浚、原位钝化（控氮+控磷材料）以及曝气增氧对底泥内源的控制效果。在120天的研究中发现，3种技术对上覆水氮磷的控制存在较大差异。系列研究结果发表于Science of the Total Environment和Chemical Engineering Journal。目前，国际上通用的3种底泥内源治理方法包括：底泥疏浚、原位钝化、原位曝气（增氧）。3种方法均在不同情境的水环境治理中有应用，也取得了一定的效果。论文系统研究了各种方法的优势、对底泥内源削减效果以及对沉积物微生物群落组成以及长期内源削减效应。
中国大陆人群汞摄入暴露健康风险地图
华东师范大学地理科学学院束炯教授团队及其合作者开展了中国大气汞排放的跨省健康影响的研究，建立了一套描述从经济活动到人群健康风险的汞生物地球化学循环链的方法，绘制了中国大陆人群汞摄入暴露的健康风险地图，从多视角探讨了各地区健康风险来源。最终发现，地区间贸易改变了中国人群的健康风险。研究论文发表于Nature Communications。汞（俗称水银）是常温常压下唯一以液态存在的金属，常温下即可蒸发。人类活动诸如化石燃料燃烧、有色金属冶炼等过程均会排放汞进入大气，大气汞随大气环流进行全球传输，是全球性的持久有毒污染物。大气汞也会随降水等过程沉降到陆地和海洋生态系统，并富集到食物链中。
物理前沿
用一维声子晶体探测三维外尔物理
武汉大学物理科学与技术学院邱春印教授、刘正猷教授等在合成空间中首次实现拓扑声学，揭示了利用易于实现和检测的低维声学系统探测高维拓扑现象的可能性。研究成果发表于Physics Review Letters。外尔(Weyl)半金属是一种三维固体材料，具有许多独特的特性，如手性异常和拓扑费米弧表面态等。文章利用简单的一维声子晶体外加两个额外的结构参数，构造、合成了虚拟的三维空间以及外尔点，探索外尔材料中的物理现象。基于精确的超声实验，直接观察到了合成空间中的外尔点，验证了与合成外尔点拓扑稳定性相关的反射相位奇异性，进而检测了该合成体系中的拓扑非平庸界面态及其传输特性。
基于外尔半金属TaIrTe4的原型器件的拓扑特性的光电探测性能的研究进展
北京大学物理学院量子材料中心的孙栋研究团队与合作者探究了外尔半金属拓扑特性对其非线性光学效应的影响，并通过引入拓扑效应实现了基于半金属的光电探测器的响应度在中红外波段的巨大提升。研究论文发表于Nature Materials。该工作主要利用的拓扑效应是外尔半金属的外尔点附近具有发散的贝里曲率，使得跟贝里场相关的位移电流响应在外尔点附近受到明显的增强；而能量越低的光子造成的跃迁会越接近外尔点，受到增强的效果也就越明显。将该拓扑效应与光探测性能相结合，得以使基于拓扑半金属的原型光电探测器的响应度在中红外波段得到3个量级的增强，从而打破了过去半金属光电探测的主要技术瓶颈。
二硫化钼中晶界在催化析氢中的重要作用
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室张广宇研究团队与北京大学江颖教授及南开大学张立新教授课题组合作，发展了一种全新的激活和优化二硫化钼基面催化活性的方法。研究论文发表于Nature Communications。论文以大面积、高质量的单层二硫化钼为实验对象，结合前期发展的表面诱导相变技术，研究了一系列具有不同晶畴和相畴密度的样品的析氢催化活性。通过对基面不同区域的电催化局域测量，他们发现2H-2H畴区边界和2H-1T相边界都可作为基面上有效的催化活性位点；且相较之下，2H-1T相边界比2H-2H畴区边界更具催化活性。
纳米孔的离子选择性增强传输
中国科学院近代物理研究所材料研究中心科学家将氧化石墨烯膜制备技术与核孔膜技术相结合，制备出氧化石墨烯膜/聚合物复合纳米孔结构，用以开展复合结构中的离子传输特性研究。研究论文发表于ACS Applied Materials & Interfaces。文章利用兰州重离子加速器提供的高能重离子对PET聚合物进行辐照，再结合非对称化学蚀刻得到PET锥形纳米孔，然后利用旋涂法在PET纳米孔上制得氧化石墨烯薄膜（GOM），形成GOM/PET复合结构。氧化石墨烯膜与核孔膜相结合，在提高阳离子通量的同时，抑制了阴离子的传输，使得体系的离子整流系数从4.6增加到238.0，实现了溶液中阳离子的选择性增强传输。
高温高强非晶合金材料新体系
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心柳延辉、汪卫华研究组和美国耶鲁大学、约翰霍普金斯大学、日本东北大学等合作，用材料基因工程方法发现高温非晶合金。研究论文发表于Nature。采用材料基因工程理念开发了独特的高通量实验方法，在高性能非晶合金的成分设计和探索中取得突破，实现了非晶合金的快速筛选，研制出高温高强非晶合金材料新体系。高通量实验方法在非晶合金领域创造性的应用，有望突破成分多样性和复杂性造成的非晶合金材料探索所遇到的瓶颈，解决非晶合金的形成能力问题，实现非晶合金新材料的高效探索，获得更多高性能非晶合金材料，拓宽非晶合金的应用范围。
量子纠缠光源研究进展
中山大学物理学院王雪华教授团队与奥地利林茨大学Armando Rastelli教授等合作者，研制出综合性能俱佳的“三高”量子纠缠光子对源。研究成果发表于Nature Nanotechnology。量子光源是量子信息和量子光电集成芯片不可或缺的量子器件。量子点（或其他辐射子）的量子光源可以根据需要由外部电脉冲或光脉冲触发来产生确定性的单光子或纠缠光子对。科学家基于量子光辐射控制理论，提出一种能克服光子侧向和背向泄露且能极大提高光子前向出射的新型微纳“射灯”结构，其单光子理论收集效率在较大的带宽中超过90%、最高可达95%。三大核心微纳制备技术保障了该“射灯”结构量子光源的实验制备。
微环境湿度调节新策略“湿泵”
上海交通大学机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王如竹教授团队提出了一种适用于小空间湿度控制的全固态“湿泵”，实现了固体制冷和吸附除湿技术的优势互补。研究论文发表于Joule。论文中提出的“湿泵”可以将空气中的水分从低湿度空间搬运至高湿度空间，从而实现对湿度的主动控制。通过构建系统级的动态计算模型，使用商用热电模块和硅胶除湿剂搭建了概念验证样机。通过特殊的涂层工艺和紧凑的结构设计，降低固态系统的接触热阻与传质阻力。典型工况下的测试结果优于其他已报道的小型除湿系统。此外，该除湿装置可以有效避免传统技术中制冷剂、冷凝水、溶液等产生的副作用。
超导量子计算在强关联纠缠体系的量子随机行走实验研究进展
中国科学技术大学潘建伟、朱晓波和彭承志等组成的超导量子实验团队，联合中国科学院物理研究所范桁等理论小组，将超导量子比特应用到量子随机行走的研究中，研究成果对未来多体物理现象的模拟及利用量子随机行走进行通用量子计算研究将产生重要影响。相关论文发表于Science。量子计算的基础研究和应用开发不断受到各国政府的高度关注，也得到了包括Google、IBM、Intel、华为、腾讯、阿里巴巴等在内的各大型公司的直接投入。超导量子计算作为固态量子计算方案，其内在的优势就在于其工艺上就具有良好的可扩展性。然而在不断集成更多的量子比特的同时，如何保证所有量子比特的质量是目前最大的挑战。
神经领域新科技
仿生三维神经电极研究新进展
清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组与浙江清华柔性电子技术研究院、浙江大学谢涛教授团队合作，开展用于外周神经电刺激与信号采集的形状记忆基仿攀爬缠绕电极的研究。研究成果发表于Science Advances。外周神经电刺激与信号采集在治疗一些药物难治性疾病如癫痫、抑郁、心衰、假肢等方面具有十分重要的临床意义。研究团队通过力学理论并与信息、材料、化学等学科深度交叉，发展了一种能够在体温驱动下自动攀爬至外周神经束上的三维螺旋形缠绕电极，依靠自然粘附形成稳定且柔性的电极—神经束界面，为外周神经调控技术在临床上的应用提供了新思路。
柔性可拉伸传感器研究进展
中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所微创中心王磊研究员等开展了基于微通道结构设计的室温液态金属超高可拉伸传感器研究，提出了一种微通道的优化设计，提高基于液态金属柔性可拉伸传感器的灵敏度。研究成果发表于Scientific Reports。柔性传感器是可穿戴医疗、机器人等领域的研究热点。柔性应变传感器已经成为未来发展智能器件的重点研究方向，其在人机交互系统、电子皮肤、人体运动行为监测系统等领域具有广阔的应用前景。研究团队利用有限元仿真优化结果，设计制备柔性可拉伸传感器，为实现人体手指、手腕等关节等运动精准测量提供了可行性方法。
活体绘制脑功能连接组
浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所王菁教授（Anna Wang Roe）团队突破了一项脑网络研究新方法，他们借助7T功能磁共振系统（fMRI）的成像优势，并结合红外光神经刺激（Infrared Neural Stimulation），开发出红外光神经刺激功能磁共振整合技术（INS-fMRI），并在活体脑中获得亚毫米级的脑连接组，使我们能更快速、更系统、更清晰地看清“大脑交通图”，了解信息的传递。研究论文发表于Science Advances。该方法可以被用于系统性地逐个刺激皮层功能柱，从而全面地描绘灵长类亚毫米水平连接组。这项新技术将为绘制高分辨率功能柱的全脑网络图奠定基础，为大规模全脑功能连接研究奠定基础。
智能交通人机协同研究进展
中国科学院自动化研究所作为第一作者和通信作者单位与英国克兰菲尔德大学、清华大学、美国印第安纳大学—普渡大学印第安纳波利斯分校、西安交通大学等单位合作研发了平行驾驶系统，研究成果发表于IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine。平行驾驶系统是以“ACP平行理论”为基础，兼具运营管理、在线状态监测、应急驾驶安全接管等功能的先进云端网联自动驾驶管控系统。平行驾驶系统能够真正解决人机协同混合智能的建模、车车通信、车路通信和车云通信问题，并显著降低智能车系统的开发成本，高性能计算实验控制模块可提升现有的无人驾驶汽车安全系数。
大规模神经元形态重建和分析
厦门大学信息学院智能科学与技术系张俊松与国内外科学家合作，提出一种新的三维神经元簇重建工具G-Cut。研究成果发表于Nature Communications。为了度量神经元胞体与神经突起间的关联性，从已有的带有标注的大规模神经元形态学数据集统计分析得到其规律和形态学信息。然后将神经元簇的重建问题转化为神经突起之间连接所形成的拓扑连接图的图分割问题，并结合神经元形态学规律和信息，在所有的神经突起与神经元胞体的关联性中寻找重建问题的最优解。通过在不同的合成数据集及真实的脑组织图像数据集上测试，和已有的方法相比，G-Cut在不同密度和不同规模的神经元簇图像上均获得了更高的重建正确率。
感知抉择皮层环路机制因果性研究新进展
中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室徐宁龙研究组解答了一个具有广泛争议的科学问题：后顶叶皮层及相关神经环路在抉择过程中发挥什么作用——后顶叶皮层在信息归类感知抉择中的因果性作用。研究成果发表于Nature Neuroscience。后顶叶皮层（Posterior Parietal Cortex，PPC），是大脑中一个处理多种感觉、运动信息的联合脑区，能够接收来自视觉系统、听觉系统和躯体感觉系统的信息传入，同时它的主要输出目标是与运动相关的脑区：背外侧前额叶皮层、次级运动皮层、额叶视区、纹状体等。其在大脑网络中处在感觉—运动整合的关键枢纽位置。
新型精准基因治疗实现视觉修复
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国科学技术大学生命科学与医学部薛天教授课题组与中国科学院神经科学研究所仇子龙研究员课题组合作，开发出新型精准基因编辑方法，并结合遗传性视网膜色素变性动物模型，实现了对视网膜色素变性小鼠在体精准基因矫正和视觉修复的治疗。研究论文发表于Science Advances。视网膜遗传性疾病的发生，会导致患者视觉损伤，严重影响了患者的生活质量。视网膜色素变性作为一种常见的遗传性眼科疾病，其表征为患者在出生后伴随着严重的夜盲，视觉区域逐渐减小直至彻底失明。CRISPR-Cas9基因编辑是治疗遗传性疾病的潜在手段之一。
恐惧情绪的新环路
浙江大学医学院李晓明教授课题组发现了一条由丘脑网状核介导的从皮层至丘脑的神经环路，参与调控动物恐惧性逃避行为。研究成果发表于Nature Neuroscience。恐惧是一种当机体面临可能会对生存产生威胁性刺激时产生的情绪反应。对于生物体而言，面对危险性刺激产生迅速有效的应对是保障物种生存和延续的关键。在长期的进化过程中，面对不同的环境时，生物体往往会进化出适应性的行动策略。该研究利用光遗传技术双向证明了皮层—丘脑网状核—丘脑这样一条三级环路在调控动物的防御性逃跑行为中的关键作用，该环路是杏仁核介导的恐惧行为的重要上游。科
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