2020年世界科技进展105项 / 开普饭

来源：三思派

作者：李万

导不平凡的2020年，注定会被在史册中大书特书。这一年，让全世界的人们都感受到了科技创新之于今天人类的重要意义。面向人民生命健康，成为科研工作者重要的价值取向。生命科学生物技术受到前所未有的关注，这也似乎预示着“生物世纪”真实地在拉开帷幕。

01、生命·生物·医药健康

一、新冠疫情

1.中国科学家应对新冠疫情取得突出进展

面对突如其来的新冠肺炎疫情，中国科学家迅速展开科研工作。第一时间分离鉴定出新冠病毒毒株并向世界卫生组织共享了病毒全基因组序列。疫情之初迅速研发新冠核酸诊断试剂何免疫检测试剂。在没有特效药的情况下，实行中西医结合，筛选出临床有效治疗办法。提出了建立方舱医院、开展大规模核酸检测、大数据追踪溯源等科学防控方案，提高了收治率和治愈率，降低了感染率和病亡率。在疫苗和中和性抗体研发方面，同时开展了灭活疫苗、病毒载体疫苗、蛋白亚单位疫苗、核酸疫苗等的研发并取得显著进展。形成抗病毒“鸡尾酒”中国抗体组合方案。

2.新冠肺炎疫苗

新冠病毒以惊人的速度席卷全球。1月12日，中国科学家向世界公布了新冠病毒的基因组。疫苗研制“大战”拉开序幕。截至12月10日，全球有162种候选疫苗正处于研发阶段，其中52种候选疫苗已经进行临床试验。与新冠病毒相关的研究论文激增。截至12月中旬，在同行评审期刊上发表的论文超过20万篇，而在非同行评审期刊上发表的文章更多。

3.缺少干扰素导致新冠重症

科学家发现，不同因素导致的干扰素缺乏，是感染新冠病毒后发展为重症的一个关键因素，为治疗和干预提供了新选择。两篇发表于《科学》的论文入选《自然》十大进展。

二、认知生命

4.冷冻电镜达到原子分辨率

德国和英国研究人员报道了迄今为止使用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）的方法获得的最清晰图像，首次确定了蛋白质中单个原子的位置。该研究入选《自然》十大进展。

使用cryo-EM绘制单个原子图，其中单个原子显示为球形，蓝色网格代表冷冻电镜密度数据

5.基因编辑破解挑食之谜

一种学名为Drosophila sechellia的果蝇只以有毒的诺丽果柑（Morindacitrifolia）为食。研究人员利用基因组编辑工具CRISPR-Cas9破解了这个谜题，主要是相关的神经元格外丰富。这一研究入选《自然》十大进展。

6.发布1/3果蝇大脑地图，精准定位25000个神经元连接

继2019年谷歌自动重建果蝇全脑，2020年又绘制了“半脑”图像，涵盖了25,000个神经元，其中包括那些控制诸如学习、记忆、嗅觉和导航等功能的区域。

7.鸟类聪明程度超出人类想象

鸟类大脑的一部分类似于人类的大脑皮层。这种“感觉意识”是人类自我意识的一种基本形式，它在鸟类和哺乳动物中的存在表明，某种形式的意识可以追溯到3.2亿年前，可以追溯到我们最后的共同祖先。该研究入选《科学》2020年十大进展。

8.特定记忆的精准删除

中国研究人员利用开发出一种 CRISPR-SaCas9 系统，在实验大鼠的脑中实现了特定记忆的精准删除。未来将可能用于难以清除的、长时间存在的“病理性记忆”，为这类疾病的治疗提供新思路。

论文发表于2020年3月18日《科学》子刊

9.人类专属的“聪明基因”首次确认

人类与黑猩猩的基因中，约99%是相同的，但人脑容量却是黑猩猩的3倍。因此，生物进化过程中人类的先祖必然曾发生了基因组变异，刺激了脑生长。德国科学家利用非人灵长类绒猴模型，发现“ARHGAP11B”基因可以引起新皮质的扩张，首次确认了人类特有的“聪明基因”，其被视为在进化过程中使我们与其它灵长类区分的重要机制。

10.脑-脑接口性能提升2~3个数量级

中国科学家利用光纤记录和光遗传学激活技术构建了一个光学脑-脑接口，并且在两只小鼠间实现了高信息传递速率的运动信息传递，从而在原理上验证了脑-脑接口跨个体精确控制动物运动的可能性。

此外，中国首次实现了高位截瘫病人通过“脑机接口技术”控制机械臂。标志着我国脑机接口技术在临床转化应用研究中已跻身国际前列。

11.首次通过大脑活动辨别梦和清醒

通过长达10年的研究，美国科学家从曾经被忽略为“噪音”的“有规律”的脑电波（通常称为1/f）中，辨别出包含许多有关大脑状态的有用信息，可以区分做梦、完全清醒、麻醉以及深度睡眠等生理状态，将使得医生能够在手术过程中监测麻醉状态下的人，以减少麻醉带来的副作用。

光谱斜率跟踪睡眠中唤醒水平的变化

12.睡眠研究发现一些关键因素

中国科学家发现基底前脑区的谷氨酸能神经元对于睡眠起着重要的调控作用，揭示了睡眠稳态调控的神经环路机制，为探索睡眠障碍的治疗方法提供了重要参考。

美国科学家发现，星形胶质细胞对睡眠的调节作用可能与神经元一样重要。这颠覆了百年来的经典理论，对于开发帮助睡眠障碍和其他与睡眠异常相关的健康状况的疗法将可能有很大帮助。

13.发现“一晃而过”记忆的潜在神经机理

美国科学家确定了孤儿受体是短期记忆的有效修饰剂，并以新兴的丘脑为中心的框架补充了基于PFC的经典模型，从而对工作记忆进行了机制理解。这对近百年来的理论进行了重大修正。

14.揭秘衰老关键机制，超百岁老人体细胞端粒恢复如婴儿

美国科学家发表论文称解开了衰老过程背后的关键机制，分离出细胞在衰老过程中的两种不同路径，并设计了一种新的方法——通过基因编程来延长细胞寿命。

美国科学家成功地将一位114岁女性的细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSC），这在世界上属首次。据信目前只有28人被证实年龄超过110岁。而且超过95%的为女性。

15.延长寿命500％，抗衰老研究迎来“联合疗法”

中美团队通过在秀丽隐杆线虫模型上同时遗传改变两种抗衰老信号通路，发现能够将线虫寿命延长500%！协同效应的发现可能导致联合治疗的使用。首个长寿秀丽隐杆线虫菌株出现于1983年。目前，一些通过改变这些信号通路延长健康寿命的药物已经在研发中。

16.深度解析多器官衰老的标记物和干预靶标

中国科学家揭示了哺乳动物多器官衰老的新型生物学标记物和可调控靶标，为评价卵巢衰老及女性生殖力下降提供了新型生物学标志物，揭示了代谢干预、免疫反应与健康寿命之间的科学联系。

卡路里限制延缓多器官衰老的系统生物学研究

17.应激/压力如何使头发变白

美国华人学者首次揭示了应激/压力引起白发的具体机制：应激状态启动了作战或逃跑反应一部分的交感神经系统，对毛囊中的色素干细胞造成了永久性损害。研究将有助于了解压力如何影响其他的干细胞，也为寻找阻止和逆转压力的方法提供了线索。该研究入选《自然》十大进展。

来源：Nature

18.首次明确“心肌小梁”的重要功能

500年前，达芬奇描绘了心脏里错综复杂的肌肉结构。美国和英国科学家确认这些结构能够让血液的流动变得更为高效，这为心力衰竭的研究提供了一个令人激动的新方向。

达芬奇在16世纪的绘画中首次描绘了心肌小梁，图为依照达芬奇的画作重新绘制的版本（图片来源：Spencer Philipps/EMBL-EBI, 2020）

19.绘制出人类肺腺癌的全面蛋白质组图谱

中国科学家对103名中国肺腺癌患者进行了全面的蛋白质组学分析，共识别出了11119个蛋白和22564个磷酸化位点，获得了肺腺癌的全面分子特征蓝图。揭示了这些分子特征与患者临床预后、潜在预后生物标志物和药物靶点之间的关联。

研究概述，来源：Cell

20.类器官新突破，利用人类干细胞可从胎儿前肠中再生多个器官

美国和日本的科学家利用人类干细胞从胎儿前肠来培养器官，这些器官包括气管、食道、胃、肝脏、胆囊、胆管和胰腺。

韩国科学家提出“类组装体”观念，开发出世界上第一个体外重构的类器官，包括上皮细胞、基质细胞和肌细胞的组织结构和特异性肿瘤组装体等，能精确地模拟人体组织和体内肿瘤的病理特征。

患者来源的膀胱肿瘤组装体，一种模拟人类膀胱癌病理特征的体外肿瘤组织。图源：Kunyoo Shin（POSTECH）

21.首次确认以病毒为食的现象

一直以来，科学家从未找到一种以病毒为食的生物，之前虽有人提出了一些证据，但都未能确认。美国科学家通过单细胞基因组分析，确认了皮胆虫和聚胞动物两类原生生物噬食病毒。

左：聚胞动物；右：皮胆虫。（图片来源：Wikimedia Commons）

22.首次观测到细胞“挤压”自己以穿越障碍的瞬间

法国科学家模拟毛细血管中循环肿瘤细胞的运动，观察到成纤维细胞可以像“缩骨术”一样挤压自己以通过通道。成纤维细胞是疏松结缔组织的主要细胞成分，结缔组织对于伤口愈合和胶原形成至关重要。该研究结果也揭示了癌症的侵袭机制。

23.首次发现衣壳是HIV感染的重要元件

美国科学家构建了一个无细胞的体系，首次让HIV在体外依次完成逆转录和整合。发现了衣壳在病毒感染的过程中，起到了更为主动的作用。在逆转录发生的8-10个小时后，依旧可以观察到大型的完整衣壳结构，且病毒的核酸从衣壳的网状晶格结构中排出。

冷冻电镜和分子建模技术让我们有机会以前所未有的细节看清病毒

24.首次揭示了细胞自我修复的分子机制

美国科学家发现，一旦细胞发生破裂，人类基因组中编码的70多种LIM结构域蛋白就会快速响应并检测损伤，随后聚集到患处。

图片来源：Tricia Koning/OGPA/UChicago Biosciences

25.揭示人类遗传物质传递的关键步骤

人们对高等生物中识别DNA复制起始位点的具体过程并不清楚，这在一定程度上也阻碍了人们对癌症发生发展机制的理解。中国科学家揭示了一种精细的DNA复制起始位点的识别调控机制。

DNA复制起始调控的表观遗传机制

26.古基因组揭示近万年来中国人群的演化与迁徙历史

在国际古基因组学领域，有关东亚，尤其是中国史前人群的古基因组研究非常匮乏。中国科学家通过前沿实验方法成功，揭示中国人群自9500年以来的南北分化格局、主体连续性与迁徙融合史。

东亚南北方不同时期人群的遗传特点变化示意图

27.世界上最古老的狩猎景象

2017年发现的印度尼西亚洞穴墙上的一幅画，被确认为4.4万年前绘就，描绘了围捕野猪和野牛的情景，其中出现了半人半兽的猎人，这可能是最早的想象艺术——一个重要的认知里程碑，想象不存在的生物。该研究入选《科学》十大进展。

世界上最古老的狩猎场景

28.爱尔兰史前贵族坟墓中发现乱伦证据

爱尔兰学者对本国最著名的石隧墓纽格莱奇墓中一位埋葬人的研究发现，他的父母要么是兄弟姐妹，要么是父母和孩子。这种乱伦可能是为了维持贵族血统。该成果入选《自然》十大进展。

纽格莱奇墓（Newgrange）是爱尔兰最著名的石隧墓，也是该国最著名的史前墓地之一，由复杂的工程技术建造而成

三、医药健康

29.激活并杀死潜伏的艾滋病病毒

HIV病毒可以长期“潜伏”在宿主细胞中，几乎不进行转录，因此不会被免疫系统发现。美国研究人员通过增强病毒基因表达激活HIV，使被感染的细胞被免疫系统识别，然后一举杀死它们。这一研究入选《自然》十大进展。

激活并杀死潜伏的HIV病毒

30.“特殊患者”开启治疗艾滋病新策略

一项针对64名艾滋病病毒感染者的研究表明，尽管已多年没有使用抗逆转录病毒药物，但是身体一直健康，为HIV治疗开辟了一种新道路。该研究入选《科学》十大进展。

HIV病毒将自己寄生在宿主的DNA内

31.“圣保罗病人”或成全球首个被药物治愈的艾滋病人

巴西35岁匿名病人自2019年3月30日开始就停止服用任何抗逆转录病毒药物，且至今没有在血液中检测到任何HIV病毒，血液抗体浓度也处于极低水平，表明该患者有可能已经实现艾滋病的治愈。但同时治疗的另外4名病人没有出现这种状况。

32.基因编辑首次成功治愈两种遗传性血液病

基因编辑在2020年获得了诺贝尔奖。研究人员利用CPRSPR-Cas9技术，重新促使血红蛋白的产生，在临床治疗β地中海贫血和镰刀型细胞贫血症这两种遗传性血液病方面取得了首次成功。该研究入选《科学》十大进展。

基因编辑技术打败了镰状血细胞

33.世界首例通过间充质干细胞治疗受益的器官移植患者

2010年10月，一位患有终末期肾病的37岁意大利男性，接受了活体供体肾移植，并参与了一项自体体外扩增骨髓间充质干细胞移植前输注的安全性和可行性试验研究。截止到研究人员提交论文时，患者已经18个月没有接受免疫抑制药物治疗。

34.人胰岛类器官成功控制小鼠的Ⅰ型糖尿病

美国科学家利用干细胞技术，制造出了第一批能够逃避免疫系统的人类胰岛素分泌胰腺细胞簇，无需免疫抑制药物就能控制血糖。Ⅰ型糖尿病约占儿童期各型糖尿病总数的90%，是危害儿童健康的重大儿科内分泌疾病，我国近年发病率为2/10万~5/10万，5岁以下儿童发病率年平均增速5%~34%，发病呈现低龄化趋势。

35.将皮肤细胞直接转化成感光细胞让小鼠重见光明

美国科学家采用一种直接重编程过程方法，仅在10天内就将皮肤细胞诱导成可移植的功能性感光细胞，让小鼠重见光明。

实验室制造的杆状体使失明的老鼠能够在细胞移植到眼睛后探测到光线

36.首个能够正常运转的3D打印厘米级人类心脏泵

美国研究人员优化了由细胞外基质蛋白制成的专用生物墨水，将生物墨水与人类干细胞结合，并使用生物墨水加细胞来3D打印了心室结构，在达到细胞高密度的情况下，使细胞能够像人类心脏一样一起跳动。这项新发现可能会对心脏研究产生革命性的影响。

人腔心脏泵（hChaMP）设计模板的横截面图

37.用活猪修复了人类受损肺

美国科学家通过使用一种新的实验技术——与一只活体猪共享其循环系统，成功让一个受损的人肺恢复了功能。这种称为异种（跨物种）交叉循环的技术充分利用人体的自我修复机制，超越了目前修复供体肺的技术能力。

图片来源：Nature Medicine

38.首次用水凝胶修复生殖器缺损

中美联合研究团队开发出一种表面有肝素涂层的3D打印水凝胶支架，具备了与天然海绵体相当的力学性能，通过手术注入雄兔体内，不仅成功修复了损伤的海绵体，并在4个月内成功恢复了阴茎勃起和射精功能。原本海绵体受损的雄兔在植入支架后，顺利完成交配，并让雌兔生下小兔子。

勃起组织损伤修复流程：3D 打印水凝胶支架，植入缺氧诱导因子突变的肌源性干细胞（MDSCs），植入雄兔体内，最终修复了阴茎形态同时重建了微血管系统

39.中国首个原创干细胞新药IND获批

该药用于治疗早、中期特发性肺纤维化，这是全世界第一个获批进入临床的肺干细胞产品，利用独特的肺组织再生修复机制发挥治疗作用，属于真正意义上的First-in-class新药。

40.“乐高模块法”合成新抗生素

美国科研团队通过将原有的抗生素分子拆分成七个“乐高零件”，然后按照原有骨架重新组装，最终要求新抗生素分子既能杀死细菌，也不产生抗药性，抗生素耐药死结有望解开。中国科学家在其中做出重要贡献。

41.混合粒子束提升了粒子疗法的精准度

德国和英国的科学家证明，混合粒子束可以让癌症治疗和疗后监测同时进行，可使粒子疗法变得更精准，最终给癌症患者带去更好疗法。该研究入选《物理世界》2020年十大突破。

42.首次应用基因编辑在活体动物内成功治疗癌症且永久有效

以色列科学家开发了一种新型的基于脂质纳米颗粒的递送系统，使用该系统进行CRISPR-Cas9基因组编辑的效率可达84%以上，且能明显抑制肿瘤的生长，使存活率提高80%。

43.细胞治疗的新进展

美国科学家发现杀伤性T细胞有助开发出更好靶向实体瘤的CAR-T细胞。美国科学家发现CAR-T疗法与特殊抑制剂药物结合有望治疗多种类型癌症。中国科学家发现新型CAR-T疗法使恶性脑瘤完全缓解率达60%。中国科学家发现靶向GPC3的CAR-T细胞有望治疗晚期肝细胞癌。美国科学家发现溶瘤病毒和CAR-T疗法联合可有效根除实体瘤。中国科学家发现可循环CAR-T细胞有望具有更强大的抗肿瘤作用。

44.全球首批人造五花肉

英国公司报告称已经成功地生产出了世界上第一批细胞培植的“人造肉”样品——培根条和五花肉。其目标是将由动物细胞制成的猪肉在2022年推向消费市场。

基于细胞培养制作出来的培根（来源：Higher Steaks）

02、深空·深海·新空间拓展

45.首次观测到银河系内快速射电暴

包括中国学者在内的三篇论文，首次揭示了来自银河系的快速射电暴，证实极强磁场中子星（磁星）是快速射电暴的来源之一。中国学者的观测结果来自于“天眼”FAST。该研究同时入选《自然》和《科学》十大进展。

46.商业航天实现突破性进展

SpaceX首次载人飞行，共有三名每个宇航员和一位日本宇航员。这是自2011年航天飞机着陆以来首次有载人航天飞机从美国本土发射升空。

在整个2020年，SpaceX共计26次发射，是SpaceX历史上单年发射次数最多的一年。

国际空间站上的宇航员看到的星链卫星

中国民营航天取得新进展。北京星河动力的“谷神星一号（遥一）简阳号”运载火箭首发成功，顺利将卫星精确送入500公里太阳同步轨道。

3D打印火箭发动机首次地面全周期点火实测，由美国Relativity Space开发，采用甲烷和液氧作为动力，单个发动机最大推力23000磅（10.43吨）。发射报价不到猎鹰9的五分之一。

47.史上最“高清”太阳照片诞生

2020年1月，美国DKIST太阳望远镜公布了2019年12月10日拍摄的首张太阳照片。

太阳照片比例尺，左下角白色块面积等于美国德州面积，与中国青海省面积相当（来源：美国国家科学基金会）

48.火星探测成热门，中国首个行星探测器“天问一号”成功发射

7月23日，长征五号遥四运载火箭将我国首个行星探测器“天问一号”送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了我国自主开展行星探测的第一步。“天问一号”重量约为5吨，它的主要构成部件是环绕器、着陆器和巡视器。

7月28日，天问一号探测器在飞离地球约120万公里处回望地球，利用光学导航敏感器对地球、月球成像，获取了地月合影。

天问一号传回的地月合照

2月10日，被火星捕获，中国成为第六个抵达火星的国家。

“希望号”火星探测器2月9号抵达轨道，使阿联酋成为第五个抵达火星的国家。“希望号”并不着陆，而是在距火星表面2至4万公里处的轨道上飞行约两年的时间。

希望号

美国的“毅力号”火星探测器2月19日成功登陆火星。目前美国在火星有3个环绕器（人造火星卫星）、1个着陆器、2个巡视器处于工作状态。

毅力号

49.小行星探测取得新突破，首次获得小行星贝努的表面样本，“隼鸟2”成功实现小行星采样回收

美国首个返回式深空探测器OSIRIS-REX探测器成功地获得了贝努灰尘和岩石。OSIRIS-REX于2016年9月8日发射升空， 2018年12月3日抵达贝努，2020年10月完成采样，计划于2023年9月24日返回地球。贝努小行星非常古老，可能隐藏着太阳系和地球生命起源的奥秘。

日本的“隼鸟2号”探测器的返回舱成功降落在澳大利亚，行星采样样本已被取回。早在2010年，日本就成为第一个成功完成小行星采样回收任务的国家。隼鸟2号于2014年12月发射升空，2018年6月抵达直径900米的小行星龙宫，2019年在两个不同的地点收集岩石碎片，11月离开，2020年返回地球。在释放样品返回舱后，“隼鸟2号”探测器调整航向，返回深空执行延长任务，计划在2026年、2031年访问另外两颗小行星。

50.“嫦娥五号”实现“绕落回”，创造五项“中国首次”

11月24日，长征五号准时并成功发射，之后探测器实现地月转移、近月制动、两两分离、平稳落月、钻表取样、月面起飞、交会对接及样品转移、环月等待、月地转移，于12月17日再入返回、安全着陆。

嫦娥五号创造了五项中国首次，一是在地外天体的采样与封装，二是地外天体上的点火起飞、精准入轨，三是月球轨道无人交会对接和样品转移，四是携带月球样品以近第二宇宙速度再入返回，五是建立我国月球样品的存储、分析和研究系统。

嫦娥五号从月球上带回大约1731克月壤。美国“阿波罗计划”靠人力累计从月球运回了380多公斤样品，苏联依靠无人飞行器分3次共获得了300余克。

值得指出的是，2020年，中国完成39次航天发射（35次成功、4次失利），发射次数和质量均居世界第二。

51.北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功

6月23日，我国成功发射北斗系统第55颗导航卫星暨北斗三号最后一颗全球组网卫星。北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

52.“实验6”号成功下水，“奋斗者”号载人潜水器创中国最深纪录

“实验6”号是一艘采用国际最先进设计理念，科考能力突出的特种用途船舶，探测手段达到国际先进水平。“实验6”号填补了我国目前中型地球物理综合科学考察船的空白。“实验6”号预计2021年入列服役。

实验6

“奋斗者”在马里亚纳海沟10909米成功坐底，3位潜航员在海底进行了约6个小时的采样工作——这是“奋斗者”号最长海底作业设计时间。

03、物质·材料·化学

53.打破物质-反物质的镜像对称性

日本研究人员首次提供了宇宙中物质–反物质不对称性起源的证据，报告了轻子破坏粒子-反粒子镜像对称（也称为CP对称）的可能发现。这一研究入选《自然》十大进展。

位于地底深处的超级神冈中微子探测器

54.首次实现室温超导

美国科学家在2670亿帕斯卡压力（约为地心压力的75%）下，使一种氢-硫-碳组成的材料在15℃下转变为超导体。这是人们首次获得室温超导体。该研究同时入选《科学》、《物理世界》十大进展。

在一种氢、硫和碳混合物上观察到室温超导性

55.冷冻电镜首次“看见”单个原子

德国和英国科学家同时发表文章报道，第一次看见蛋白质中的单个原子。将有助于了解蛋白质如何在健康和疾病中起作用，并促使产生更好的和更少副作用的药物。

蛋白质Apoferritin的冷冻电镜图（图片来源：Paul Emsley/MRC Laboratory of Molecular Biology）

56.首次在原子尺度直接实时观察到裂纹运动

尽管描述固体断裂行为的连续介质理论十分成功，但是迄今尚未有成熟理论能准确地描述裂纹尖端区域内部的结构和应力。中国香港科学家通过先进透射电子显微方法直接观察到了完全脆性材料中可移动的裂纹尖端的原子结构，并且测量了原子尺度应变和断裂韧性。

原子尺度实时观察裂纹的愈合（0-13s）和扩展（13-26s）

57.首次给量子测量过程拍快照

瑞典、德国、西班牙等国家的科学家，运用一系列“弱”测量来探究量子力学中叠加态坍缩的本质，该研究或许有助于改善量子计算机的勘误能力。该研究入选《物理世界》2020年十大突破。

被电场捕获的锶离子。图片来源：《物理世界》杂志网站

58.利用量子力学“锁定”热量

新加坡科学家使用了反时间对称原理，证明了将热量限制在金属环的一个小区域内，而不随时间扩散是可能的。这项发现将可能用于控制复杂热扩散和优化需要冷却的系统效率。

两个相对旋转的金属环，中间夹着一层薄薄的油脂

59.实验观测到化学反应中的量子干涉现象

化学反应的进程伴随着复杂的量子力学现象，但其通常难以被直接观测到，中国科学家提供了一个研究范例，清晰地揭示了化学反应的量子性。

H HD反应的两条途径

60.第一次测量量子波动在人类尺度上对物体的宏观影响

美国科学家研究指出，尽管微观量子波动如此微小，但仍可以“踢动”一个像LIGO里重达40公斤的镜子一样大的物体，测量出LIGO探测器中的量子噪声足以将大型反射镜移动10-20米，这种位移是由量子力学所预测的。

61.金属材料内观察到现数十亿流动电子纠缠

美国和奥地利科学家在量子临界材料内观察到数十亿个流动电子之间的量子纠缠，这是纠缠导致量子临界性迄今最有力的直接证据，有望促进量子信息和超导技术的发展。

使用太赫兹辐射分析由镱、铑、硅组成的材料

62.探测到新型太阳中微子

意大利科学家在太阳的碳-氮-氧循环中探测到了一种以前未曾见过的中微子——CNO中微子。该研究入选《物理世界》2020年十大突破。

63.第一种被实验所证实的二维冰结构

经过近百年的探索，人们已经发现了冰的18种三维晶体结构。1997年，美国科学家预测存在“互锁型”双层二维冰。中美科学家首次制备出二维冰，并以原子级分辨率拍到了二维冰的形成过程，揭示其特殊的生长机制。

二维冰岛内部结构的亚分子级分辨成像。a、b图中从左至右，依次为由高至低不同针尖高度下的原子力显微镜实验图和模拟图；c为二维冰结构的模型示意图的俯视图和侧视图。

64.-80℃的液态水被发现，由“两种液体”组成且稳定存在

美国科学家发现过冷水能浓缩成高密度、液体状的结构。这种高密度形式的水与一种低密度结构（与经典水的价键结构一致）共存。随着温度从 -28.15℃ （245 K）降到 -83.15℃（190 K），高密度液体的占比迅速下降，支持了过冷水“混合模型”的预测。

图片来源：Timothy Holland, Pacific Northwest National Laboratory

65.世界最低温度

中国科学家成功搭建了能获得0.090mK极低温环境的无液氦消耗核绝热去磁制冷机。其他三套同类型的干式核绝热去磁设备分别为英国的0.6mK、芬兰的0.16mK和瑞士的0.15mK无液氦消耗制冷机。

设备结构设计与主体设备外观照片

66.首次发现碳纳米管惊人的耐疲劳性能

中国科学家在国际上首次以实验形式，测试出厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。在大应变循环拉伸测试条件下，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并且在去掉载荷后，其抗拉强度依然能保持初始强度的 90% 以上。

厘米级超长碳纳米管样品

67.首次提出超均匀纳米晶材料概念

中美科学家在块体纳米晶和超细晶材料领域取得重要进展，首次提出超均匀纳米晶材料的概念，并进行了系统的理论分析和实验论证。今后有望获得微结构更均匀、性能更加优异的纳米晶材料。

68.在纳米尺度修正开尔文方程

中国、英国科学家合作，在石墨烯搭建的纳米毛细通道中研究了水的毛细凝聚现象，并由此改写开尔文方程，使之适用于介观尺度。

实验数据与卡尔文方程的吻合程度

69.使用大肠杆菌制造绿色尼龙

中国科学家设计了一条全新的人工生物合成途径，通过使用生物催化剂、空气中的氧为氧化剂、在常温常压下水溶液中即可完成己二酸的制备，有望突破80年污染难题。

从环己烷或环己醇出发制备高纯度己二酸产物

70.全球首创轻质液态金属

中国科学家首次提出“轻质液态金属”概念，发明了一种前所未有的轻质量液态金属材料。以镓铟共晶合金为基础并加入了特殊物质和结构的液态金属，其密度可调范围为0.448~2.010g/cm3，甚至比水的密度还低，并具有良好的生物安全性。

放置于叶面上轻盈的心型空心玻璃微珠以及多种形状

71.具有超高压电性能的透明铁电单晶

中国科学家揭示了弛豫铁电单晶高压电效应的起源，研发出了掺杂的新单晶，突破了长期以来高压电性和高透光性难以共存的国际难题。其压电系数比现有的透明压电单晶提高了100倍，电光系数最大可提高40倍，具有广阔应用前景。

高压电性透明铁电单晶与传统铁电单晶的对比

72.在液晶内观测到铁电向列相，110年前预研被证实

美国科学家首次在液晶内发现了铁电向列相。早在1910年，美国物理化学家彼得·德拜和德国犹太裔理论物理学家马克斯·玻恩就提出了相关假说。未来将可能在新型显示屏、重构计算机内存等发挥作用。该研究入选《物理世界》2020年十大突破。

73.声波理论极限值被推定为36千米/秒

英国和俄罗斯的科学家推测出，声波在固态氢内传播速度最快，且计算得出了声波在固态氢内接近理论极限值的传播速度：36公里/秒。该研究入选《物理世界》2020年十大突破。

74.将扭旋电子学应用于光子

中国、美国等国科学家基于“魔角”石墨烯的发现，通过使用二维材料的扭曲层来改变光子（而非电子）的传播性质，证实在二维三氧化钼的扭曲层中，光可能实现无色散及无衍射传播，且分辨率比衍射极限超过一个数量级。该研究入选《物理世界》2020年十大突破。

75.直接带隙硅基光发射器研制成功

荷兰和德国科学家研制出了一种直接带隙硅基材料，其发出的光可应用于通信领域。为开发出直接带隙，研究人员必须研制出一种拥有六角形晶体结构（而非寻常钻石结构）的硅锗合金晶体。该研究入选《物理世界》2020年十大突破。

04、智能·信息·通信

76.中国量子计算机取得新突破

中国科学家成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，根据现有理论，其速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。

“九章”量子计算原型机光路系统原理图

此外，中国第一家致力于量子计算机产业化的公司，正式上线了自主研发的超导量子云平台，并面向全球用户提供基于真实量子计算机原型机“悟源”的计算服务。

77.商业量子计算进展迅速

IBM提出了一个专门表示量子计算机性能的指标——量子体积，并指出“量子体积”增长规律类似摩尔定律。霍尼韦尔商业量子计算系统的量子体积达到128。

用于量子运算的离子阱腔室／霍尼韦尔

未来十年量子计算路线图（来源：霍尼韦尔）

78.首次实现基于无人机的量子纠缠分发；8节点无可信中继的量子纠缠分发网络实验成功

中国科学家在国际上首次实现基于无人机的量子纠缠分发，填补了该领域的空白。用无人机进行量子纠缠分发，有可能让量子通信网络随时随地按需覆盖。

无人机首次实现量子纠缠

此外，中国、英国、奥地利、克罗地亚四国科学家实现了城域范围内无可信中继的量子纠缠分发网络，具备拓展为更大规模量子通信网络的潜力，从而为用户提供服务。

整体网络架构（来源：Science Advances）

79.人工智能首次精准解开蛋白质三维结构

谷歌“深度思维”公司宣布，AlphaFold人工智能系统精确预测了蛋白质的三维结构，准确性可与冷冻电子显微镜、X射线晶体学等实验技术相媲美。该研究入选《科学》十大进展。

人工智能首次精准预测蛋白质三维结构

80.人工智能解码脑电波，准确率97％

美国华裔科学家团队使用人工智能解码系统，把皮层活动中产生的电脉冲记录，通过植入大脑的电极接收，实现了将脑电波转译成英文句子，准确率高达97%。

解码过程

81.人工智能发现超级抗生素

美国科学家运用一种开创性的机器学习方法，在短短几天内从超过1亿个分子的库中筛选出强大的新型抗生素。其中一种抗生素可杀死多种世界上最麻烦的致病细菌，包括被认为无法治愈的菌株。标志着抗生素发现发生了范式转变。

《细胞（Cell）》2月20日的封面文章

82.人工智能写出第一篇文章

美国非营利组织OpenAI发布的GPT-3，写出了第一篇文章。GPT-3是一种具有1,750亿个参数的自然语言深度学习模型。

83.首款“蚕丝硬盘”问世

中美科学家研发出了世界上首块基于天然生物蛋白的硬盘存储器——蚕丝硬盘。该存储器可以在一平方英寸（约6.45平方厘米）的面积上存储64GB的数据，相当于一颗3.5英寸的蚕丝蛋白存储器的容量超过0.5TB（512GB）。

蚕丝硬盘的优势

84.碳基半导体研究新突破

中国碳基半导体研究成功突破抗辐照这一世界性难题，为研制抗辐照的碳基芯片打下了坚实基础。在制备碳纳米管方面取得了世界先进性成果，有望把芯片制程推进3nm以下。

北大团队研发的晶圆级高质量碳管阵列薄膜

85.全球神经元规模最大的类脑计算机

中国科学家研制出第一台基于自主知识产权类脑芯片的类脑计算机，也是目前国际上神经元规模最大的类脑计算机，“脑容量”堪比小鼠。包含792颗达尔文2代类脑芯片，支持1.2亿脉冲神经元、近千亿神经突触，神经元数量规模与小鼠大脑相当，典型运行功耗只需要350-500瓦。

Darwin Mouse类脑计算机

86.首个比头发丝还细的机器人诞生

美国科学家首次制造出尺寸小于0.1毫米（约为人的头发宽度）的机器人，大约有5微米厚、40微米宽、40~70微米长，可大规模生产。体形微小却十分结实，在未来临床医学上可能会有很大用途。

微型机器人绕圈行走

美国科学家借助光声断层成像技术，实时控制纳米机器人，让它们准确抵达人体某个部位（比如肠癌病人的肠道肿瘤处），进而让纳米机器人实现药物递送，或进行智能微手术。

87.全球首个活体可编程机器人诞生

美国科学家创造出100%使用青蛙DNA的可编程的活体机器人。它既不是常见的金属机器人也不是传统意义上的生物体。这种毫米级的“异种机器人”可以负载一定重量的物体朝着目标移动。这种活体机器人还能在被切割后进行自愈。

88.首个单设备模拟神经元

美国研究人员将电阻、电容和忆阻器集成在同一个装置中，该设备不仅可以输出简单脉冲，还可输出神经元的全部活动情况。这种独立发挥神经元作用的电子设备，将可有效解决传统计算机所面临的问题。

Photo: Research Group of R. Stanley Williams

89.自定参数实现精确抓握，可恢复90%手部功能

意大利科学家开发的仿生手，可覆盖手部和腕部，能实现精确的类似人手的抓握行为，还可恢复上肢截肢患者恢复 90％以上的功能。

汉尼斯的 3D 视图

90.世界首块10层3D打印PCB电路板诞生

德国企业合作使用介电聚合物油墨和导电油墨，成功地组装出了世界上第一块10层3D打印电路板，且两面都焊接了高性能的电子结构。此前，3D打印电路板无法承受元件双面口的焊接工艺。

世界首块10层3D打印PCB电路板

05、生态环境·能源交通·建设工程

91.人造物质质量首次超过全球生物量

以色列科学家经过估算，认为在2020年，建筑、道路、汽车等人造物体的质量现已超过地球上的生物总量，而每周的新增物量相当于地球上近80亿人口的总重量。如果把水算在内，生物量在2037年之前仍将大于人造物质量。不过，今天塑料的质量是动物总量的两倍。

92.南极臭氧层持续恢复

因各国遵从禁止消耗臭氧层物质的生产和使用的相关法案，臭氧层出现恢复的初步迹象，空洞相关的环流效应已经停止。美国科学家报道了这一研究，并入选《自然》十大进展。

93.全球变暖趋势加剧

世界气候研究计划署的科学家们认为，按目前趋势演进，大气中的二氧化碳含量可能在2060年达到560ppm（420ppm）。未来，如果气候变暖2.6~3.9℃，也可能会淹没沿海城市、加剧极端热浪、使数百万人流离失所。该研究入选《科学》十大进展。

94.用卫星数出地球上的每一棵树

丹麦学者与美国航天局合作，根据西非地区超过130万平方千米的高分辨率卫星图像，绘制出了约18亿棵树的树冠位置和大小。这被认为是陆地遥感的飞跃。该研究入选《自然》十大进展。

95.刻画出迄今最高精度的地球3亿年生物多样性演变历史

中国科学家利用创建的国际大型数据库何自主研发人工智能算法，获得了全球第一条高精度的古生代3亿多年的海洋生物多样性演化曲线，时间分辨率较国际同类研究提高400多倍，将推动整个演化古生物学研究的变革。

古生代海洋生物多样性曲线与重要演化事件

96.珠峰测量

中国和尼泊尔组织的珠峰测量，测得珠峰最新高度为8848.86米。首次使用GNSS接收机通过北斗卫星进行高精度定位测量；首次实现人类在珠峰峰顶开展重力测量；首次通过天文望远镜拍摄登顶的过程以及在峰顶活动；创下了中国人在珠峰峰顶停留时间最长纪录。1975年，我国测得珠峰海拔高程为8848.13米；2005年，我国测得珠峰峰顶岩石面的海拔高程为8844.43米。

5月27日11时，2020珠峰高程测量登山队8名队员成功登顶，完成峰顶测量任务

97.世界最大人造太阳”启动组装，核聚变刷新世界纪录

历经十四年筹备，世界上最大的核聚变装置——国际热核聚变实验反应堆（ITER）在法国南部正式开始组装工作，意味着人类距离实现可控核聚变又近了一步。该项目由 35 个国家合作完成，中国提供了磁体馈线、极向场线圈等重要部件。

低温恒温器的基座。图片来源：ITER Organization/EJF Riche

此外，韩国核聚变装置在1亿℃下运行20秒，打破之前中国保持的世界纪录。

图片来源：韩国国家科学技术研究委员会

98.中国三代核电技术国和一号研发完成

中国核电自主化标志性成果——世界先进三代核电型号“国和一号”研发完成。这是集我国核电50年、三代技术和产业创新之大成的标志性成果。

99.全球首个直流电网正式投运

世界首个直流电网——张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程正式投运。工程采用我国原创、领先世界的柔性直流电网新技术，创造了12项世界第一，在三大世界级挑战上均取得突破。确保2022年北京冬奥会所有场馆实现奥运史上首次100%清洁能源供电，北京全市用电负荷的1/10实现清洁化。

100. 钙钛矿研究及制造工艺进展显著

原子尺度揭示钙钛矿微观结构。英国科学家对杂化卤化铅钙钛矿原子层次的理解，揭示了其性能卓越背后的机理，这使得有针对性的设计方法来消除缺陷和优化这些材料的界面。

美国科学家利用薄膜钙钛矿开发出了一种极为敏锐的新型X射线探测器，其灵敏度比传统硅探测器高几个数量级，且辐射和成本均大大降低。该研究入选《物理世界》2020年十大突破。

新型薄膜钙钛矿X射线探测器的灵敏度比传统硅探测器高100倍。图片来源：《物理世界》杂志网站

中国科学家研制出稳态光电转换效率高达24.2%的钙钛矿，首次将全钙钛矿叠层电池写进太阳能效率世界记录表《Solar cell efficiency tables》，为目前的世界记录效率。

大面积全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能

以美国科学家为主的国际联合研究团队基于商业化的半导体平板印刷工艺开发出新的制备方法，成功在柔性衬底上制备出了厚度精确可控的大面积（0.25 cm2）柔性单晶钙钛矿薄膜，相应电池器件获得了19%的高效率，且具备了优异的机械柔韧性和长程稳定性，表现出了良好的商业化应用潜力。

基于新工艺单晶柔性钙钛矿薄膜制备流程

101.新能源汽车动力电池极寒测试成功

中国科学家在零下30度的环境下，放置超过48小时后，进行了超低温冷启动测试和超低温热泵空调测试。动力电池电芯温度由零下18度，以7℃/min的速度，在很短时间内迅速升温至零度以上，并成功进行了启动。

102.全球首个超过500 Wh/kg锂金属软包电池

中国科学家设计开发的锂金属软包全电池，首次获得了超越500 Wh/kg的能量密度，且电池稳定循环100余次后仍可获得大于400 Wh/kg的能量密度，更为关键的是该电池镍金属的含量仅为1.59%（质量分数），远低于传统的高镍三元正极，成本更低更适于规模化生产，对电池产业和电动汽车发展具有重要推动作用。世界主要发达国家，如美国、日本均设定了开发出能量密度高达500 Wh/kg的二次锂电池发展目标。