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      2021重大科學問題、工程技術難題和產業技術問題發布!
      2021-08-06 11:50:56 作者:材易通 來源:材易通 分享至:

       7月28日,在第二十三屆中國科協年會閉幕式上發布了10個對科學發展具有導向作用的前沿科學問題、10個對工程技術創新具有關鍵作用的工程技術難題,并首次發布10個對產業發展具有引領作用的產業技術問題。


       

      一、前沿科學問題

       

       1   如何突破大尺寸晶體材料的制備理論和技術?

      加強大尺寸晶體材料研發與裝備制造協同發展,是建設制造強國的重要途徑,在我國面臨的“卡脖子”技術中,大半以上是材料和裝備問題,如缺少大型燒結爐。

      突破該問題后,會大幅提升我國大尺寸合金、玻璃、陶瓷、光纖、晶體等新材料產業與高端裝備制造業的發展水平,形成具有我國自主知識產權的技術與裝備,破解我國面臨的“卡脖子”技術難題,實現“中國制造2025”、“2035材料強國”等國家重大戰略的目標。

       2   納米尺度下高效催化反應的作用機制是什么?

      通過對納米催化過程的限域效應研究能夠加深人們對于催化反應本質的認知,進而為高效納米催化體系的開發及其工業化應用提供堅實的理論支撐。

      未來催化科學和技術的目標是溫和條件下的高效可控轉化,納米催化作為新一代催化技術使人類向該目標邁進了一大步。

       3   農作物基因到表型的環境調控網絡是什么?

      在應對氣候變化的大背景下,揭示作物基因作用的分子機制和重要農藝性狀形成的環境分子與生理基礎,并在獲取相關基因信息和表型信息的基礎上,關聯表型與基因型及其環境條件,有利于構建分子定向設計育種體系,促進培育高產、穩產、優質、高效和環境友好的突破性農作物新品種,并有利于加強精準化栽培管理,有效落實“藏糧于地、藏糧于技”,全面推進鄉村振興。

       4   中微子質量和宇宙物質-反物質不對稱的起源是什么?

      中微子質量及其他基本性質的實驗和理論研究是粒子物理學的重大基本問題,特別是中微子的質量順序、輕子部分的CP破壞現象和中微子質量的馬約拉納屬性。這些基本問題的解決不僅對建立更完善的粒子物理學理論至關重要,也對相關研究領域的發展影響深遠。

      中微子的探測和無中微子雙貝塔衰變的觀測都要求更大規模的探測器、更高的能量分辨率和更低的本底噪聲,為此研發的探測技術和硬件設備將來一定會有更廣泛的應用前景。

      除此之外,中微子振蕩和無中微子雙貝塔衰變實驗的大型探測器對暗物質粒子、超新星中微子、高能天體中微子的觀測同樣具有巨大的潛力,將會對暗物質物理、多信使天文學、天體物理和核物理的研究產生重要影響。

       5   地球以外有統一的時間規則嗎?

      統一時間問題是構建人類命運共同體的技術基礎,它既有理論技術內容,又有管理和文化的色彩。

      現有的時間管理理論和方法僅僅適用于地球及其附近空間,不適用于更廣域的宇宙空間。由此出現了“空間守時系統”新概念,這不僅僅是概念創新,更重要的是顛覆了傳統時空觀念。

      在新的歷史時期,由中國人提出并引領空間守時系統,將產生重大的歷史意義和現實價值。21世紀,以信息和航天產業為引領展開了新的產業革命,深空探測和地外基地的布局是未來20年發展的熱點,重新制定時間管理規則成為大勢所趨。

      脈沖星的發現,和廣義相對論的普及應用,給了我們難得的機遇,中國學者抓住了機遇,首先提出了空間守時系統,定義時間起始原點,引領全人類開發地球以外的時間規則,將在人類計量歷史上翻開新的篇章。

       6   大腦中的記憶是如何產生和重現的?

      記憶印跡的信息編碼與讀取研究從基礎學術角度,有助于找到信息高效存儲的生物學本質,對人類的思維與認知基礎進行定量研究。

      從人類健康角度,有助于推進高效高速腦機接口策略的探索,為腦功能修復提供全新的選項。從類腦智能角度,有助于發展全新的計算模型,產生仿生物的高效智能計算網絡。

      從人類發展角度,該研究會為將來保存思維和記憶、實現長時間空間跨度星際旅行提供可能的一種選項,使得人類知識甚至個體意識的延續成為可能。

       7   以新能源為主體的新型電力系統路徑優化和穩定機理是什么?

      構建以新能源為主體的新型電力系統對我國能源轉型具備重要的意義,是我國新能源的持續快速發展、如期實現“碳達峰、碳中和”目標的前提與基礎。

      本問題涉及新能源、電氣工程、控制和氣象等學科,學科跨度大、融合程度深,有望孕育新的學科增長點,為我國能源相關領域提供重要的參考和支撐。

       8   鋁合金超低溫變形雙增效應的物理機制是什么?

      通過突破超低溫下雙增效應的微觀機制,建立超低溫成形技術體系,發展出與現有冷成形、熱成形并列的第三大類成形制造技術,為大尺度鋁合金、鋁鋰合金整體結構薄壁曲面構件提供新一代成形技術,解決我國航天航空高端裝備鋁合金整體結構的難題,推動重型運載火箭、大型飛機、高鐵等國之重器的發展。并且,利用超低溫雙增效應還可制備超細晶、超寬板幅、超薄鋁合金材料,解決高性能鋁合金材料制備難題,顯著提升鋁合金板材制造水平。

       9   如何揭示板塊運動動力機制?

      板塊運動的驅動力問題一旦獲得突破,對地球科學發展的影響將是巨大的,不但對大地構造學研究領域有突破性進展,而且對地形地貌演化、古地理學、地球生態環境系統演化以及“人類生存共同體”的發展都具有重大影響。

      10   “亞洲水塔”失衡失穩對青藏高原河流水系的影響如何?

      在“亞洲水塔”整體失衡失穩的演化大背景下,開展青藏高原河流水系統變化過程與成因、影響及演化趨勢等科學問題研究,對于豐富和理解氣候變化背景下“亞洲水塔”失衡失穩的科學內涵和過程機理、減緩和應對這一演化趨勢對我國及下游國家水資源供給安全影響和科學防治水旱災害具有十分重要的科學意義和應用價值,同時對于開展全球其他氣候變化影響嚴重區域河流系統變化研究具有重要的參考價值。

       

      二、工程技術難題

       

       1   如何高效利用農業微生物種質資源?

      農業微生物種質資源是國家戰略資源,是支撐農業綠色高質量發展的重要保障。加強農業微生物國家戰略科技力量和農業微生物種業創新條件建設,系統梳理農業微生物種質資源領域的前沿科學問題和“卡脖子”技術難題,建設一支高水平農業微生物種質資源保護與利用專業化隊伍,集智攻關前沿科學問題和關鍵技術,研發一批高效功能微生物綠色投入品,將對打好種業翻身仗,保障國家糧食安全,促進農業綠色高質量發展,保護人民生命健康具有重要的推動作用。

       2   如何解決三維半導體芯片中納米結構測量難題?

      三維芯片大深寬比結構可溯源測量是世界性難題,該難題取得突破后,將極大豐富和擴展計量科學和方法的創新,直接影響半導體芯片制造領域,并將促進半導體芯片進一步向多層堆疊結構發展,在三維世界中延續摩爾定律。

      發展三維芯片大深寬比納米結構的可溯源測量技術,一方面可使我國在半導體芯片測量領域率先突破。另一方面,該技術難題的突破將提升我國航空航天、國防軍工等領域微納器件的制造水平,對交叉領域科技發展產生重大影響,并發揮引領和帶動作用。

       3   如何開發比能量倍增的全固態二次電池?

      固態鋰二次電池采用固體電解質取代傳統電解液,由于材料體系兼容性和熱穩定性良好,從而在能量密度和安全性上均可實現大幅度提升,固態電池比能量可達到現有鋰離子電池的2-3倍。

      目前,固態電池已成為各國爭先角逐的新能源汽車熱點技術,通過關鍵技術研發,在未來5-10年實現全固態電池的產業化,使固態電池比能量倍增到600 Wh/kg,應用領域從小型便攜式電子設備拓展到動力和儲能領域,預計2030年全球市場規??蛇_到數百億甚至數千億美元。

      研究全固態電池關鍵技術并推進產業化,對實現全固態電池關鍵技術自主可控,加速我國新能源汽車技術進步,增強我國新能源汽車全球競爭力,節能減排和保障我國能源安全具有重要意義。

       4   如何發展我國自主超高分辨率立體測圖衛星關鍵技術?

      衛星測繪是航天遙感高精尖技術的聚集地,發展大例尺衛星測繪是建設測繪強國的必由之路,是維護國家地理信息安全的重要舉措,有利于提升我國測繪地理信息的國際話語權,也是支撐國民經濟高質量發展、國家治理體系和治理能力現代化的重要手段。

      高質量、高時效的甚高分辨率衛星數據獲取是必然的發展趨勢,已成為衡量一個國家高技術水平的重要標志。

      無論從航天遙感技術進步、國家安全保障,還是應用需求的角度,都需要發展優于0.3 m的甚高分辨率民用光學遙感衛星測繪,這是世界航天遙感的大勢所趨、發展和應用所向。

       5  如何利用人工智能實現醫療影像多病種識別并進行輔助診療?

      實現人工智能驅動下的醫學影像多病種識別,不僅可以幫助醫生實現對影像數據的全方位分析,對病灶的勾畫,更加準確無誤的實現疾病的診斷,有助于對疾病的精準治療,更重要的有助于實現多病種的識別,通過疾病關聯性等因素來干預和預防其他病種引起的并發癥等,第一時間發現身體里的各種病變位置,進行有針對性的治療,這對人類生命健康和社會經濟發展意義重大。

       6   如何突破深遠海航行裝備制造與安全保障工程技術難點?

      深遠海與極地航行裝備制造和安全保障工程關鍵技術難題突破后,有助于強化國家深遠海戰略科技力量,加強深遠海領域原創性、引領性科技攻關,深入實施深遠海與極地裝備制造強國戰略,提升產業鏈供應鏈水平。

      通過深遠海與極地裝備制造和安全保障工程研發,加快核心技術創新應用,培育壯大發展新動能,構筑深遠海與極地產業體系新支柱,具有巨大的經濟效益。有利于構建和保障現代能源體系,加快深海、遠海、極地和非常規油氣資源開發利用。

      有利于積極拓展海洋經濟發展空間,深度參與全球海洋治理、海洋環境監測和保護。有利于加強南北極國際合作,拓展極地航線應用,進一步保障國家海洋權益。

       7   如何創建5G+三早全周期健康管理系統?

      本項目聚焦“以治病為中心”轉變為“以健康為中心”的政策導向,基于5G技術構建 “三早”健康管理系統,實現健康數據的系統性、連續性。

      結合5G網絡和可穿戴設備的監測系統,可為每位居民建立健康監測和疾病預警模塊,為居民提供居家保健支持,將家庭成員的生理數據傳送至社區衛生服務中心,實現疾病即刻診斷與干預,并可探索實現急性不良事件的預警預測,構建“醫院—社區—家庭”健康管理服務模式。

      5G+“三早”健康管理系統還可與現有的醫療機構信息系統對接,實現患者院內、院外連續跟蹤和干預,并通過院外健康干預建立后續就醫就診計劃。在“三早”健康管理系統中,瞄準造成居民疾病負擔和死亡的重大慢性病,遴選多種適宜技術和服務模式。

       8   如何通過重要生態系統修復工程構建精準高效的生態保護網絡和恢復生物多樣性?

      探索精準高效構建保護地網絡,有助于促進就地保護、自然恢復等領域的理論創新,并為基于自然的解決方案等國際關注熱點提供有益范例。在實踐層面,有助于提升生態保護領域投入產出效率,增強生態保護規劃和管理成效,實現保護和發展的雙贏。

      開展群落重建和生物多樣性提升研究,可以有效遏制生物多樣性和資源衰退,并促進生物資源快速恢復,大大提升我國重要生態系統穩定性和生態服務功能。

      同時,將為我國提供重要的國家戰略資源,從景觀資源、生態資源和經濟資源,促進“山水林田湖草”生態一體化建設,服務于我們生態文明建設和滿足人們美好生活的實現。

       9   如何構建我國生態系統碳匯擴增的技術體系?

      積極應對氣候變化實現碳中和是我國實現可持續發展的內在要求,是加強生態文明建設、實現美麗中國目標的重要抓手,是我國履行負責任大國責任、推動構建人類命運共同體的重大歷史擔當。

      在全球碳循環中,生態系統作用巨大,生態系統碳匯擴增作為一種高效可行、綠色可持續的減碳方法,是我國2060年實現碳中和目標重要途徑。

      10   如何制造桌面級的微小型反應堆電池?

      本問題突破后可以大大促進軍事國防,太空探索,海洋利用等領域的重大發展,形成新一代的國之重器,為核動力發展引入新鮮血液,產生較大的科技經濟和社會效益。

       

      三、產業技術問題

       

       1   如何實現面向大規模集成光芯片的精準光子集成?

      光芯片被認為是全球市場規模4.7萬美元IT/通訊產業的核心使能技術的關鍵。大規模集成光芯片在未來網絡、大數據(如高速寬帶傳輸和交換)和人工智能(如激光雷達)中具有顛覆性的能力。

      以精準光子集成為重要核心競爭力之一的技術思路不僅可以大大推動集成光芯片的發展,同時對培養面向光通信網絡的中國特色集成電路和相關網絡設備產業鏈也有極大的支撐作用……

      在“卡脖子”高端光芯片上,一方面在傳統技術和產業上努力跟蹤追趕,另一方面更要在大規模光子集成上另辟蹊徑,集中和發揮中國優勢力量,引導光芯片未來發展潮流。

       2   如何開發針對老齡化疾病的醫用人工植入材料?

      當前適合高端植入醫療器械的高分子材料的研發/生產已經是迫在眉睫的工作。共性問題取得突破后,可以打破國外封鎖和壟斷,實現進口替代;開展具有自主知識產權的各類相關產品的深化研究;有效降低醫保費用的支出,減少患者的經濟負擔。

      目前,國產骨科植入物,尤其是人工關節產品,在競爭力上存在明顯不足。利用當前的良好時機,推動個性化骨科植入物、個性化人工關節假體產業轉化,在骨科植入物高端產品開發領域形成良性發展機制。

      人工關節產業具有顯著的經濟效益和市場前景。突破解決全陶瓷摩擦副的規?;a業化制造存在的卡脖子難題,必將拉動更為巨大的相關醫療器械產業鏈技術、市場的發展,促進產業升級轉型,同時將奠定技術基礎和產業基礎,提高經濟效益和社會效益。

       3   如何開發融合軟體機器人與智能影控集成技術的腔道手術機器人產品?

      我國微創外科手術機器人領域部分產品現已實現跟跑或領跑,但是在經腔道手術機器人細分領域,國外部分樣機系統已進入臨床并審批FDA認證,相比國外,我們研發進度略顯遲緩。

      經自然腔道實現患者超微創手術的軟體微創治療機器人作為醫療機器人領域“皇冠上的明珠”,是國內外產業界的研發和產業化重點。本需求對標世界前沿,在核心部件、關鍵技術、機器人集成和臨床應用研究等層面進行創新,實現經腔道手術的技術變革,具有重大戰略意義。

      現在腔道軟體機器人技術全球基本處于同一起跑線,為避免國外技術壟斷和專利保護,應早日布局支持相關科研團隊搶占軟體手術技術制高點或實現技術領跑,為早日實現我國腔道軟體微創治療機器人關鍵技術與產品開發的彎道超車。

       4   如何開發大規模低能耗液氫技術和長距離綠氫儲運技術?

      我國液氫生產及儲運項目加速落地,掌握核心關鍵設備和技術至關重要,液氫的發展還將經歷一個長期復雜的推廣過程,企業的努力與國家的政策支持均不可或缺。國內正在開展自主液氫與深冷高壓、有機液體儲氫技術和裝備的開發,加快液氫、有機液體儲氫技術產業化實踐,推動中國高密度高效率的液氫、有機液體儲運加注技術進步。

      解決了液氫核心設備、零部件等卡脖子技術后,低能耗、大規模液氫生產儲運項目的大力推廣,充分釋放液氫、有機液體儲氫在氫能產業中的獨特優勢,大幅度降低氫氣儲運成本。極大提升國產高端裝備制造水平,助推中國實現碳中和、碳達峰,液氫和有機液體儲氫技術大有可為。

       5   如何解決我國航空發動機短艙關鍵技術問題?

      目前,我國沒有專門研制完整短艙系統的機構或企業,但初步具備了民機反推系統以外的零部件研制能力。應瞄準這一“卡脖子”技術的戰略需求,在“需求牽引、突破瓶頸”的思想指導下,開展短艙系統多學科集成優化設計體系與關鍵技術研究,開展中小型渦扇發動機的短艙系統驗證機的研制工作。

      此外,擬獲取的研究成果不僅在航空發動機短艙的研制中具有至關重要的作用,而且可推廣用于其它涉及到復雜系統多學科系統集成與優化的航空工程技術領域。這將為國產化短艙系統的研制奠定堅實的技術基礎,對國家航空產業發展具有重要的戰略意義。

       6   如何突破耕地重金屬的靶向快速經濟安全減污技術?

      污染耕地重金屬減量凈化修復材料與技術的創新及應用是實現土壤重金屬含量削減的關鍵,可以解決長期以來以鈍化劑或調理劑為主的傳統固化/穩定化方法難以根除耕地重金屬污染的難題。

      創制新型靶向減量凈化修復材料,因其使用不受氣候因素影響、不破壞土壤理化性質,并可實現回收再利用,是攻克現有土壤有效態重金屬減量技術瓶頸的關鍵。

      這種核心材料與關鍵技術的突破,不僅可為完成《全國農業可持續發展規劃(2015—2030年)》中“保護耕地資源,防治耕地重金屬污染”和黨的十九大報告中提出的“強化土壤污染管控和修復”、“確保國家糧食安全”等重點任務提供新思路、新材料和新技術,而且可有力促進耕地土壤修復產業化發展。

       7   如何利用風光水加快實現“碳中和”目標?

      依托青藏高原獨特的自然環境,突破優化風光水能互補開發技術,對于貫徹新發展理念,以流域水循環推動雙循環,構建流域新發展格局,實現高質量發展具有重要意義。

      一是建設“亞洲水塔”形成水資源綜合利用體系;二是加快實現“碳達峰”、“碳中和”;三是助力青藏高原生態屏障建設。加快推動風光水能互補開發,可以筑牢水資源、能源、生態安全底線。

       8   如何攻克漂浮式海上風電關鍵技術研發與工程示范難題?

      開展深海漂浮式海上風電技術研發與樣機示范項目探索,有利于我國掌握技術制高點,在深遠海海上風能資源競爭中占據優勢,有利于儲備研發力量,為將來大規模開發深遠海資源奠定基礎,同時,也為“一帶一路”和“走出去”戰略打下基礎的良好契機。

       9   如何制備高潔凈高均質超細晶高端軸承鋼材料?

      高精密、高可靠性的金屬基高端軸承,對國民經濟和國防安全具有戰略意義,代表一個國家高端制造的整體水平。高端軸承屬于重要的戰略物資,而軸承產業也是國家基礎性、戰略性產業。

      我國軸承制造目前面臨的主要瓶頸問題在于軸承鋼材料制備水平低下,潔凈度、組織控制、服役評價等遠低于國外水平,關鍵軸承一直依賴進口,將對我國的中長期發展規劃戰略的實現、制造業強國戰略的實施產生巨大的阻礙,也將嚴重影響到我國的國防、航空、航天、高速軌道交通、運輸、能源、智能制造等眾多領域。因此,開展高性能軸承鋼母材的全新全流程制造技術研究,解決我國軸承鋼材料自主可控制造的“卡脖子”問題,具有重要的現實和戰略意義。

      10   如何發展與5G/6G融合的衛星互聯網絡通信技術?

      與5G融合的衛星網絡關鍵技術的研究儲備,能夠促進相關科學技術發展,直接推動我國航天、地面相關技術的進步,有效提高我國衛星及有效載荷的設計、試驗驗證、制造與地面支持系統的發展水平,提升天地一體化綜合的數據處理和應用技術水平。

      同時,可促進我國與國際衛星通信標準體系的有機銜接與協同發展,服務網絡強國、制造強國、軍民融合等重大戰略。

      在大國太空競爭背景下,構建高低軌協同、天地一體、與5G等地面網絡融合的衛星互聯網將直接關系到一個國家的產業安全和國家安全,相關技術的攻關能夠打破跟隨國外技術的局面,成為國際相關標準的制定者和領跑者,有利于構建自主可控網絡空間國防體系。

      實現我國互聯網發展由“消費型”向“生產型”轉變,通過構建面向天地一體化信息網絡的新型網絡架構,保障大規模“生產型”互聯需求,將為我國實現從制造大國向制造強國邁進的戰略舉措提供有力支撐。

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      2018年以來,中國科協組織全國學會等科技共同體,面向廣大科技工作者征集評選重大前沿科學問題和工程技術難題,在中國科協年會上發布,4年共評選、發布了130個問題難題。

      2021年征集發布活動共征集到89個國內科技組織、73個國外組織和境外專家推薦的472個問題難題,2萬余名一線科技工作者和戰略科學家參與推薦和研判。

      今年首次向近年來積極參與征集發布活動并作出重要貢獻的學會授予重大科技問題難題征集發布優秀學會牌匾。

      中國科協將推動構建重大問題難題研判品牌體系,踐行科技共同體的價值使命,凝聚科技工作者共識,深化全球科技交流合作,不斷研判科技發展趨勢,識別關鍵核心技術,團結科技力量協同攻關,推動高水平科技自立自強。

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