2018年度中國稀土十大科技新聞
編者按：由中國稀土學(xué)會和包頭稀土研究院主辦，“中國稀土”網(wǎng)站承辦，《稀土信息》、《稀土》等媒體協(xié)辦的“2018年中國稀土十大科技新聞”日前揭曉，評選結(jié)果將在中國稀土學(xué)會網(wǎng)站、中國稀土網(wǎng)站、《稀土信息》雜志發(fā)布。此次入選的十大科技新聞是從100余篇2018年度稀土科技新聞中，經(jīng)過初審、專家評審兩個階段評出。
*入選新聞排名不分先后
1.稀土單晶光纖實現(xiàn)mW級中紅外激光輸出
單晶光纖是一種新型高效的激光增益介質(zhì)，能夠有效克服體塊晶體和玻璃光纖帶來的熱效應(yīng)等瓶頸問題，未來將在高功率全固態(tài)光纖激光領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所在多年稀土晶體設(shè)計及生長技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了mW級中紅外激光輸出。該成果構(gòu)建了從稀土晶體基礎(chǔ)理論研究及新晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計，到微下拉生長技術(shù)優(yōu)化、單晶光纖激光輸出的全創(chuàng)新鏈條。標(biāo)志著我國稀土資源高附加值下游應(yīng)用領(lǐng)域又一次原創(chuàng)性突破。
稀土資源利用國家重點實驗室主任薛冬峰研究員首次明確了“稀土晶體”的定義，從結(jié)晶熱力學(xué)和動力學(xué)兩方面入手構(gòu)建微下拉稀土單晶光纖生長模型，利用該理論模型得出稀土單晶光纖生長中的關(guān)鍵參數(shù)。為了進(jìn)一步清晰化生長界面處的化學(xué)鍵合模式，建立軌道雜化模型研究稀土離子的成鍵行為，定量關(guān)聯(lián)稀土離子配位數(shù)、配位結(jié)構(gòu)和外層軌道雜化方式，用于定量計算稀土單晶光纖的生長速度。該工作創(chuàng)新性地利用生長界面處的化學(xué)鍵合模式解決了微觀晶體組成和稀土單晶光纖塊體材料之間的跨尺度問題，用于多尺度稀土單晶光纖生長方案的定向設(shè)計，成功生長了直徑0.5-3 mm的稀土鋁酸鹽、鎵酸鹽、硅酸鹽等系列單晶光纖，獲得了mW級中紅外激光輸出。
2.電子束刻蝕實現(xiàn)中空核殼結(jié)構(gòu)稀土上轉(zhuǎn)換納米晶原位構(gòu)筑
由于稀土上轉(zhuǎn)換納米晶具有將近紅外光轉(zhuǎn)換成短波長可見-紫外光的上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性，同時中空核殼結(jié)構(gòu)納米晶具有高比表面積及豐富可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，在生物傳感及成像、藥物緩釋和醫(yī)學(xué)診療等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。合成中空核殼結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)換納米晶主要是利用硬模板法。然而，硬模板法需要先對上轉(zhuǎn)換納米晶進(jìn)行二氧化硅或聚合物包覆，隨后通過選擇性腐蝕或者高溫煅燒去除模板，其合成工藝較復(fù)雜且無法實現(xiàn)在襯底上原位構(gòu)筑中空核殼結(jié)構(gòu)納米晶，從而大大限制了其應(yīng)用范圍。
通過在稀土上轉(zhuǎn)換納米晶表面外延生長均勻包覆同質(zhì)殼層通常被認(rèn)為是減少原有納米晶表面缺陷密度，提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率的一種有效策略。然而，對于同質(zhì)包覆核殼結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)換納米晶核殼界面結(jié)構(gòu)尤其是界面缺陷是否被顯著抑制等基礎(chǔ)問題尚缺乏深入的實驗研究。在國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、科技部“973”計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和創(chuàng)新國際團(tuán)隊等的支持下，中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所功能納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與組裝重點實驗室陳學(xué)元研究小組和王元生研究小組合作，通過電子束輻照核殼結(jié)構(gòu)稀土上轉(zhuǎn)換納米晶發(fā)現(xiàn)同質(zhì)包覆核殼結(jié)構(gòu)納米晶其內(nèi)核與殼層界面處依然存在大量晶體缺陷，并且該界面缺陷濃度甚至高于內(nèi)核中體相缺陷的濃度。在此基礎(chǔ)上，利用這種界面缺陷調(diào)控，借助電子束刻蝕首次實現(xiàn)了在碳膜襯底上原位構(gòu)筑中空核殼結(jié)構(gòu)稀土上轉(zhuǎn)換納米晶。在一定功率密度的電子束輻照下，預(yù)先沉積于碳膜襯底上的核殼結(jié)構(gòu)稀土上轉(zhuǎn)換納米晶由實心球體快速轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌蘸藲そY(jié)構(gòu)，整個過程在30秒內(nèi)即可完成，并且中空核殼結(jié)構(gòu)納米晶依然保持原有的晶體結(jié)構(gòu)。通過對納米晶由實心向中空核殼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程的原位透射電鏡觀察，并結(jié)合理論模型分析，研究人員進(jìn)一步揭示了該中空核殼結(jié)構(gòu)形成的微觀機制：當(dāng)納米晶受到高能電子束輻照時，納米晶中的Ln (稀土原子)、F、Na原子在與電子碰撞過程中獲得動能后掙脫晶格束縛而發(fā)生原子遷移或濺射，進(jìn)而在納米晶中形成孔洞。由于核殼結(jié)構(gòu)納米晶中核殼界面處存在大量缺陷，當(dāng)受到電子束輻照時，核殼界面處晶格原子掙脫晶格束縛而發(fā)生原子遷移或濺射的幾率顯著增加，因此在該界面及其附近處優(yōu)先快速形成球?qū)ΨQ的空心結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)納米晶由實心向中空核殼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。該項研究結(jié)果表明，基于核殼結(jié)構(gòu)納米晶的界面缺陷調(diào)控利用電子束對納米晶進(jìn)行原子尺度刻蝕是一種原位構(gòu)筑中空核殼結(jié)構(gòu)稀土上轉(zhuǎn)換納米晶的行之有效的方法，該方法將為納米器件應(yīng)用領(lǐng)域中原位構(gòu)筑特殊結(jié)構(gòu)功能化納米晶提供新思路。
3.資源節(jié)約型高性能稀土永磁材料取得進(jìn)展
2018年10月12日，由沈保根院士為首席的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)-“資源節(jié)約型高性能稀土永磁材料設(shè)計和可控制備”項目，順利通過科技部專家組驗收。該項目由“高性能稀土永磁材料制備技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)研究”、“高輕稀土含量、高性能稀土永磁材料機理研究”和“新型高性能稀土永磁材料設(shè)計和探索”三個子課題組成，分別由朱明剛教授、沈保根院士和饒光輝研究員負(fù)責(zé)。
該項目在高豐度稀土永磁材料的高性能和耐蝕性研究方面取得突破。Ce替代量為總稀土含量的35%時，其磁能積達(dá)超過40MGOe（實驗室水平）；當(dāng)磁體中Ce占總稀土含量的50%時，其內(nèi)秉矯頑力達(dá)到10.8KOe；獲得“高耐蝕性多硬磁主相Ce永磁體”及產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)等多項創(chuàng)新發(fā)明，制備出高性能鈰磁體綜合性能(BH)max+Hjc> 63的雙主相燒結(jié)磁體；發(fā)現(xiàn)Ce含量高的磁體出現(xiàn)了主相被腐蝕而磁性相沒有被腐蝕的電偶腐蝕現(xiàn)象。通過項目的實施和技術(shù)推廣，推動全國鈰(或含鈰)磁體產(chǎn)量由項目開始時的800噸發(fā)展到超過3萬噸，占稀土永磁總產(chǎn)量的五分之一。
研究了混合稀土-鐵-硼的內(nèi)稟磁性，證明Ce對飽和磁化強度有貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)La、Ce共替代有利于Ce 的價態(tài)向+3 價遷移，MMFeB具有制備永磁體的必要條件；揭示了快淬MM-Fe-B永磁材料的交換耦合作用和矯頑力機理。
首次測定了La-Fe-B、Ce-Fe-B三元體系以及Nd2Fe14B-RE2Fe14B贗二元合金體系的相平衡，首次獲得了稀土RE-Fe體系的相平衡與熱化學(xué)實驗數(shù)據(jù)自相一致的熱力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建了稀土RE-Fe-B多組元合金體系的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，為研究稀土永磁合金成分-組織結(jié)構(gòu)-磁性能的構(gòu)效關(guān)系提供了重要的熱力學(xué)依據(jù)。
4.柴油車用稀土基SCR催化劑實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化
2016年2月24日，包頭稀土研究院與河北華特汽車部件有限公司開始共同開展柴油車用SCR催化劑的研發(fā)。2018年1月，稀土基SCR催化劑通過中國汽車技術(shù)研究中心的臺架實驗測試，其性能達(dá)到并超過國五排放要求；在整車PEMS試驗（包含城市和非城市道路）中，外國品牌釩基催化劑的有效窗口通過率為90%-92%，而稀土基SCR催化劑的通過率是100%。通過各項測試結(jié)果看出，稀土基SCR催化劑已成功摘下具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的柴油車用稀土基脫硝催化劑的“桂冠”，此項技術(shù)打破了跨國企業(yè)在中國的技術(shù)壁壘。
2018年9月底成功建成稀土基SCR催化劑的粉體合成中試線，生產(chǎn)規(guī)模為每月2.5-3噸粉體。同年，北方稀土、河北華特和北京凱德斯合資組建北方稀土華凱高科技（河北）有限公司，共同建設(shè)柴油機用稀土基SCR催化劑及后處理系統(tǒng)項目，計劃于2019年建成年產(chǎn)100 噸SCR催化劑粉體示范線（5萬套/年），2022年建成年產(chǎn)1000噸SCR催化劑粉體生產(chǎn)線（25萬套/年），預(yù)計到2023年可以實現(xiàn)500萬升SCR催化劑和200萬升DPF催化劑的銷售，銷售額達(dá)3.81億元。
在國五向國六快速推進(jìn)過程中，合成了具有特殊孔道結(jié)構(gòu)的含鑭、鈰等輕稀土化合物的催化劑，成功突破了國六催化劑的涂覆工藝。目前稀土基SCR催化劑的性能已完全達(dá)到國家國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
5.稀土上轉(zhuǎn)換納米材料光子動力學(xué)精準(zhǔn)調(diào)控獲得突破性進(jìn)展
中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研究員孔祥貴、劉曉敏課題組創(chuàng)新地將可控“離子納米分區(qū)摻雜”技術(shù)和稀土離子延遲激發(fā)調(diào)控方法與Monte Carlo計算模擬方法相結(jié)合，在國際上首次清晰闡述了光子能量在多納米層區(qū)域內(nèi)的吸收、遷移、傳遞及復(fù)合的動力學(xué)過程，生動描繪了光子能量單次瞬態(tài)遷移迅速和“游走”隨機等動力學(xué)圖像，實現(xiàn)了光子動力學(xué)過程的精準(zhǔn)調(diào)控，為解決光子上轉(zhuǎn)換效率低的挑戰(zhàn)性難題明確了方向。
6.稀土電子漿料應(yīng)用方面取得成果
稀土電子漿料性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)異于傳統(tǒng)電子漿料。具有智能、遠(yuǎn)紅外、高效環(huán)保和綠色節(jié)能等特點，其電性能、熱性能、磁性能、化學(xué)性能、機械性能無可比擬。
廣東匞辰電子科技有限公司根據(jù)之前的研究成果，對稀土電子漿料配方技術(shù)進(jìn)一步升級和應(yīng)用，研發(fā)出PTCR-稀土厚膜電路可控電熱元件專利產(chǎn)品。該技術(shù)先后獲得了國內(nèi)發(fā)明專利、美國專利、日本專利及歐盟專利。這種智能芯片熱源涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，主要是多品種高導(dǎo)熱系數(shù)基板材料構(gòu)成，專業(yè)用于電熱源領(lǐng)域，熱性能穩(wěn)定，國際上尚處于初期研發(fā)階段。2018年，模塊化組合式智能集熱器系統(tǒng)研發(fā)成功,該技術(shù)應(yīng)用于智能無膽電鍋爐系列。其升溫快、熱效率高，節(jié)能，安全，環(huán)保，舒適，體積小巧，安裝簡便。它廣泛適用于太陽能、風(fēng)能、鋰離子電池、智能家用電器、工業(yè)、汽車、能源、電力、軍事等領(lǐng)域及各類新能源領(lǐng)域。
7.極低場磁共振研究獲進(jìn)展
中國科學(xué)院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點實驗室博士董慧團(tuán)隊，與德國于利希研究中心教授Krause課題組合作，將極低場磁共振成像（ULF-MRI）圖像中±500Hz帶寬內(nèi)的工頻噪聲干擾抑制85%以上，解決了無屏蔽或簡易屏蔽ULF-MRI成像的固有工頻噪聲干擾問題，向?qū)崿F(xiàn)低成本可移動式MRI系統(tǒng)邁出了堅實的一步。
磁共振成像（MRI）技術(shù)已成為臨床醫(yī)學(xué)診斷不可或缺的手段之一。目前主流臨床MRI系統(tǒng)典型場強為1.5和3.0特斯拉，造價昂貴且對使用環(huán)境要求苛刻。ULF-MRI的工作場強比傳統(tǒng)MRI低4個量級，具有系統(tǒng)簡單、造價低廉、對金屬不敏感的特點，且無需造影劑即可獲得腫瘤與正常組織的本征T1對比度，近年來受到廣泛關(guān)注和研究。然而來自電網(wǎng)的工頻諧波噪聲會在ULF-MRI圖像中引入帶狀偽影。這些偽影將跨過樣品圖像，嚴(yán)重破壞成像質(zhì)量，影響信噪比。該研究以超靈敏磁傳感器——超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）作為信號檢測探頭，基于工頻諧波噪聲的空間相關(guān)性，從傳感器硬件構(gòu)型和去噪算法設(shè)計出發(fā)，提出ULF-MRI工頻諧波干擾的動態(tài)抑制方法。該方法的提出有助于降低系統(tǒng)對環(huán)境磁場的要求，為后續(xù)開展可用于日常普檢的低成本移動式MRI系統(tǒng)研究奠定堅實基礎(chǔ)。此方法可推廣到采用傳統(tǒng)線圈探測的地面磁共振成像、超極化磁共振成像等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
8.多自由度復(fù)用的多功能固態(tài)量子存儲器研制成功
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊在量子存儲領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研制出多自由度并行復(fù)用的固態(tài)量子存儲器，在國際上首次實現(xiàn)跨越三個自由度的復(fù)用量子存儲，并展示了時間和頻率自由度的任意光子脈沖操作功能。
由于不可克服的光纖信道損耗，目前地面安全量子通信距離被限制在百公里量級。基于量子存儲器的量子中繼方案可以有效克服信道損耗從而拓展量子通信的工作距離，所以量子存儲器是未來長程量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)的核心器件。量子網(wǎng)絡(luò)實用化的關(guān)鍵指標(biāo)是通信速率，而多模式復(fù)用量子存儲器可以極大地提升量子網(wǎng)絡(luò)的通信速率。對于經(jīng)典的存儲器，如硬盤或者優(yōu)盤等，其一個存儲單元一次只能存儲一個比特。而對量子存儲器，由于具有量子相干性，其一個存儲單元可以一次性存儲大量的量子比特，這就是復(fù)用的概念。原則上對量子存儲器的各個自由度都可以進(jìn)行復(fù)用。
近年來，李傳鋒研究組一直致力于基于稀土摻雜晶體的復(fù)用量子存儲的實驗研究。2015年首次利用光子的空間自由度實現(xiàn)復(fù)用量子存儲，存儲維度數(shù)達(dá)到51維，至今保持固態(tài)量子存儲維度數(shù)最高水平，復(fù)用時，可以把每一維作為一個模式，那么空間自由度就有51個模式。同年，利用光子的時間自由度，實現(xiàn)了100個模式的確定性單光子量子存儲，至今保持復(fù)用固態(tài)量子存儲的模式數(shù)最高水平。
為了進(jìn)一步提升量子存儲器的復(fù)用能力，研究組創(chuàng)新性地采用多自由度并行復(fù)用的存儲方案。比如在第一個自由度有M個存儲模式，第二個自由度有N個模式，第三個自由度有P個模式，則量子存儲器的總復(fù)用模式數(shù)為各個自由度模式數(shù)的乘積，即M*N*P。研究組選擇光子的時間、空間和頻率自由度進(jìn)行并行復(fù)用，在國際上率先實現(xiàn)了跨越這三個自由度的復(fù)用量子存儲。實驗中采用了2個時間模式、2個頻率模式、3個空間模式，總模式數(shù)達(dá)到2*2*3=12個，實驗結(jié)果展示了多自由度并行復(fù)用量子存儲的可行性。這種提升量子存儲模式數(shù)的新方法，將在量子網(wǎng)絡(luò)和量子優(yōu)盤的研究中具有重要應(yīng)用。
在多模式復(fù)用的長程量子通信中，兩個中繼節(jié)點的工作模式可能各不相同，為了能夠執(zhí)行進(jìn)一步的糾纏交換，不同的中繼節(jié)點必須把工作模式變換到同一模式，這就需要模式變換功能。研究組巧妙地設(shè)計存儲方案和存儲裝置，展現(xiàn)他們的多自由度復(fù)用量子存儲器在時間及頻率自由度具備任意模式變換功能。
研究組還進(jìn)一步證明他們的存儲器可以在時間和頻率自由度實現(xiàn)任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。實驗結(jié)果表明，在所有這些操作過程中，光子攜帶的三維空間量子態(tài)都保持了約89%的保真度。該存儲裝置可以實現(xiàn)Knill-Laflamme-Milburn型量子計算所需的所有操作，所以該成果還有望在線性光學(xué)量子計算等領(lǐng)域取得更多的應(yīng)用。
9.中國首臺永磁直驅(qū)電力機車下線
2018年11月1日，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的永磁直驅(qū)大功率交流傳動電力機車在中車大同公司正式下線，這是我國首臺采用永磁和直驅(qū)技術(shù)的大功率交流傳動電力機車。
永磁直驅(qū)電力機車是我國繼“快速客運電力機車”和“重載電力機車”之后，在交流電力機車領(lǐng)域又一新的突破，機車總效率將提升3%以上，每小時可節(jié)約電能200度，并具有維護(hù)成本低、綠色環(huán)保、靜音等顯著特點。同時，永磁直驅(qū)電力機車采用了直接驅(qū)動輪對技術(shù)，取消了傳統(tǒng)的傳動齒輪箱，結(jié)構(gòu)簡單，不僅有效降低機械能耗損失，驅(qū)動系統(tǒng)部件維護(hù)周期更是長達(dá)200萬公里左右，為用戶節(jié)省大量維保費用，產(chǎn)品綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢顯著。
10.各向同性耐熱粘結(jié)磁粉榮獲中國專利獎等多項獎勵
2018年，有研稀土開發(fā)的各向同性耐熱稀土粘結(jié)磁粉制備技術(shù)及產(chǎn)品相繼獲得第二十屆中國專利優(yōu)秀獎、第五屆北京市發(fā)明專利二等獎和中國稀土科學(xué)技術(shù)科技進(jìn)步二等獎。
稀土粘結(jié)磁性材料以其高磁性能、高形狀自由度、凈終成型等特性，特別適合微特電機的應(yīng)用，使電機更加節(jié)能、高效。隨著新能源汽車、節(jié)能家電、智能機器人等下游應(yīng)用的快速發(fā)展，急需高綜合磁性能、高熱穩(wěn)定性各向同性粘結(jié)磁粉。
基于此，有研稀土成功開發(fā)出各向同性耐熱稀土粘結(jié)磁粉關(guān)鍵制備技術(shù)，解決了現(xiàn)有納米晶粘結(jié)磁粉在復(fù)雜服役環(huán)境下的熱穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)磁粉的綜合磁性能與熱穩(wěn)定性同時提高。目前公司已成功開發(fā)出十余種高性能各向同性稀土粘結(jié)磁粉牌號，擁有年產(chǎn)1000噸的稀土粘結(jié)磁粉生產(chǎn)線，產(chǎn)品批量供應(yīng)給國內(nèi)外高端粘結(jié)磁體生產(chǎn)客戶。