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全部 前沿科学问题 工程技术难题 产业与技术问题
学科领域
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征集年度
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冰巨星 就位探测
冰巨星作为研究太阳系和系外行星的蓝本，科学价值高，一直是国际深空探测领域的热点，但对太阳系最远距离冰巨星实施就位（环绕、进入等）探测的技术难度极大，始终是一块空白地，目前也仅有美国对冰巨星开展过飞越探测。实现对冰巨星及其卫星就位探测，不仅可以填补国际深空探测的领域空白，突破科学探测的前沿技术，还将有助于解决包括太阳系形成与演化、宇宙起源和生命起源等在内的重大基础科学问题，彰显国家综合国力和科学发展水平。
推荐机构： 中国宇航学会
2024年度
半导体硅单晶 直拉法 晶体生长控制理论 品质管控技术
硅单晶材料在集成电路产业链中占据首要地位，硅单晶的品质对集成电路芯片性能有着重要的影响。硅单晶制备过程是多场耦合、多相变、大空间、高温、高真空、高洁净的精密生产过程，此过程决定了硅单晶的品质。如何在复杂的制备过程中，通过调控宏观工艺参数，实现对硅单晶微观品质的精准管控，是硅单晶制备产业界和学术界持续关注的难题。通过发展新理论、研究新方法、形成新工艺，实现对硅单晶生长过程及品质的有效管控，达到稳定提升硅单晶材料品质的目的，以满足不断演进的集成电路芯片制程要求。这项技术对建立和发展我国半导体硅单晶产业，实现生产过程的科学化、高效化、实用化，形成市场竞争优势具有重要的理论价值和现实意义。 半导体硅单晶是制造集成电路芯片最重要的基础性材料，90%以上的集成电路芯片都是制作在硅单晶上，硅单晶的制备在集成电路产业链中占据首要地位。半导体硅单晶的品质主要包括：直径尺寸、长度等宏观品质；氧碳含量、晶体缺陷、杂质浓度等微观指标，这些决定了硅单晶制备效率和后端集成电路芯片的性能，同时，也反映了一个国家集成电路产业的发展水平。 目前，半导体硅单晶材料制备产业仍具有高度集中的特点，以直径12英寸硅片为例，日、德、韩等境外5家企业占据90%以上的全球市场份额，形成了世界范围的垄断。代表当今集成电路芯片主流制造水平的20nm及以下制程工艺所要求的高品质、大尺寸半导体硅片，我国主要依赖进口。半导体硅单晶材料从技术研发、产业生产到市场销售具有投资规模大、建设周期长、技术门槛高、产业垄断强的突出特点，成为制约我国集成电路产业发展的关键壁垒之一。
推荐机构： 中国自动化学会
脑机接口 脑疾病 脑电信号
脑机接口系统旨在建立一种脑与外部设备之间直接的双向交流通道，以同时实现对外部设备的控制和对脑的调控，从而达到监测脑状态、治疗脑疾病、增强脑功能等目的。 按照信息采集的方式，脑机接口可以分为侵入式和非侵入式两种技术路径。 侵入式脑机接口直接与神经元紧密接触，在神经信号质量和神经调控精度等关键性能上有着天然的优势，但植入手术对大脑的创伤和植入器件长期在体的安全性等问题是当前瓶颈。侵入式脑机接口是一个复杂的系统，涉及电极、芯片、算法、植入等多种关键技术，包括：生物器件集成电路制造技术，用于提高脑机接口记录带宽；超薄超柔电极制备技术，实现海量神经活动信号的长期稳定获取；神经信号模拟域特征提取技术，实现海量神经信号的实时探测、处理和压缩，大幅降低数字神经网络的规模和功耗；微创植入技术，自动躲避血管，减少植入创伤。 非侵入式脑机接口，是目前最常采用的脑信号采集路径，也是在商业化探索中更有望率先落地的技术路径。虽然采集的信号强度远远弱于侵入式脑机接口方案，信噪比低，时空分辨率更模糊，但因为这种方案不会对脑组织造成创口伤害，因此在普惠式应用方面更有潜力。非侵入式脑机接口当下的研究重点，一方面在于信号监测和分析设备及算法的改进、放大器的尺寸、如何降低信号噪声和提高信号可用性；另一方面在于与多种潜在应用场景深度结合，探索应用潜力。非侵入式脑机接口的潜力在于探索在更多场景中的应用，比如专注力提升、解决失眠问题、自闭症干预治疗、阿尔兹海默症延缓等等。此外，将非侵入式脑机接口与VR、机械外骨骼等外界技术手段结合，在瘫痪康复治疗领域也有着巨大的应用前景。 虽然脑机接口技术的临床应用前景广阔，但在性能、精准、高效、安全等方面仍存在众多挑战，例如：开发长期稳定、生物兼容、时空分辨率高的神经信号采集及神经刺激硬件；开发精确、稳定的脑机接口解码算法，以达到对各种复杂外部设备的精细控制；开发精准、鲁棒的脑机接口调控算法，以达到对各种大脑状态有效、安全的调控；研究脑接机口技术的伦理与数据安全等，真正的脑机接口离应用临床还有很长一段路要走。
推荐机构： 中国图书馆学会
2023年度
新能源基地 荒漠化地区 特高压输电 安全送出
我国是世界上荒漠化面积最大、受风沙危害最重的国家之一，全国荒漠化土地约占国土面积的1/4。国家提出以沙漠、戈壁、荒漠为重点建设数亿千瓦大型风光基地，推动构建以清洁低碳能源为主体的能源供应体系，加快能源绿色低碳转型。 由于荒漠新能源基地所在地区大多处于电网末端，电网支撑弱，经济欠发达，本地负荷小，新能源基地缺少大电网支撑，安全运行面临挑战，无法就地消纳。 为此，要将荒漠化地区改造成为绿色能源基地，亟需解决如何在缺乏电网支撑的情况下实现数亿千瓦荒漠新能源发电基地安全稳定送出的关键问题。
推荐机构： 中国电机工程学会
长周期储能技术 新型电力系统 电力电量平衡 大容量高效率
由于新能源发电出力波动大、可靠出力低，随着新能源装机占比不断扩大，以及煤电的逐步退出，新型电力系统面临严峻的电力电量平衡及保供挑战。大规模、长周期储能技术可以实现大规模能量的长时间存储、转移和转换，对于提升新型电力系统长周期灵活性及充裕性具有重要作用，同时也关系着未来系统的演化路径和电网形态，但目前国内外新能源发展场景、路径有很大差异，长周期储能技术的定义、需求也不同，当前的储能类型多样，但满足我国新型电力系统建设的长周期储能技术尚无明确答案，，适用于新型电力系统的大容量、高效率、具有成本经济性的长周期储能方式还一直在探索与研究之中，大规模工程应用和实践尚未开展。
氢能 质子交换膜燃料电池 运输 低铂 低成本
当前质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术水平（包括功率密度、寿命、能量转换效率、低温启动性能等）均已满足车用要求，然而其成本居高不下，成为限制车用燃料电池动力系统商业化与规模化应用瓶颈。为了降低燃料电池成本，关键是大幅降低电极中铂基催化剂用量，然而催化剂载量的不断降低会牺牲电池性能与寿命。因此，如何突破低铂、低成本车用燃料电池电堆关键技术，解决成性能、寿命与成本之间的矛盾是当务之急。此外，燃料电池催化剂、碳纸、气体扩散层等关键材料主要依赖进口，进一步推高了我国燃料电池系统的成本，如何突破低铂、低成本车用燃料电池关键材料批量化制备技术，实现完全自主的国产化替代，构建完整的燃料电池产业链，对于我国燃料电池技术发展至关重要。
推荐机构： 中国汽车工程学会
作物栽培 无人化 绿色 优质丰产
根据我国农业生产劳力持续减少、土地流转与规模化经营加速、全程田间作业要求更为高效舒适的大趋势，围绕大田作物绿色优质丰产目标，以大田作物栽培“无人化”作业技术为核心，配套无人机飞防高效植保技术、智能远程控制灌溉技术和智能精准“无人化”收获技术，创建大田作物生产“无人化”作业技术体系，解决未来粮食“怎么种、靠谁种”的技术问题，推动粮食生产由机械化向“无人化”新跨越。
推荐机构： 中国作物学会
超快动力学 阿秒电子显微 阿秒时间分辨率 皮米空间分辨率
电子显微镜可以深入了解物质的最小细节，例如可以揭示材料的原子结构、蛋白质的结构或病毒颗粒的形状。然而，自然界中的大多数材料都不是静止的，而是一直在相互作用、移动和重塑。比如光与物质之间的相互作用在植物、光学元件、太阳能电池、显示器或激光器中普遍存在，其相互作用的内在本质是由光场驱动的电子运动所决定的，发生在飞秒（10-15秒）甚至阿秒（10-18秒）的超快时间尺度上以及皮米（10-12米）的超小空间尺度上。因此，为了对复杂材料中功能的微观粒子起源进行直接可视化，需要同时具备“皮米空间分辨率”与“阿秒时间分辨率”的阿秒电子成像技术，从而实现对原子、电子的运动及其相互作用规律的实时、实空间观测。然而，目前超快电子成像技术受到发射度大、亮度低、以及时间抖动、光发射电子固有的能量弥散等限制难以突破飞秒-纳米级时空分辨瓶颈。这些难题的解决可提供原子、电子在本征尺度上的微观动力学直接时空成像，将有力推动我国基础物理、新型光电子器件、超快化学、生物安全 、量子科学、清洁能源等重要科技前沿领域的发展，为我国基础研究的原始创新突破提供有效支撑。
推荐机构： 中国光学工程学会
冲击地压煤层 智能防冲 主动解危 卸压开采
煤炭是我国能源安全的“压舱石”，冲击地压已成为制约我国煤矿安全生产和产能释放的头号杀手，而且随着开采深度的不断增加，其影响越发凸显，将严重影响我国能源战略安全和国民经济持续健康发展。因此，如何突破冲击地压煤层开采技术瓶颈，实现安全、智能、高效开采是迫切需要解决的关键工程技术难题。
推荐机构： 中国煤炭学会
高纯稀土化合物 高纯稀土金属 提纯 工程化
稀土元素因其特殊的4f亚层电子结构，呈现出丰富而独特的磁、光、电、催化等功能性质，被誉为“现代工业维生素”和“21世纪新材料宝库”，已成为全球公认的重要战略资源。高纯稀土材料作为稀土功能材料的基础物质保障，可以确保从原子、电子层次研究稀土材料组织结构与性能关系，体现稀土元素本征性质。随着稀土在高科技领域的开发应用研究不断取得重大突破，稀土功能材料对稀土材料的纯度提出了更高的要求。例如大功率光纤激光器要求镱等稀土化合物纯度达到5N-6N；闪烁晶体要求镧、铈等稀土卤化物纯度大于4N且水、氧含量<50ppm；集成电路、5G通信等用高纯稀土金属靶材要求稀土金属纯度达到4N5以上。另外，不同应用对高纯稀土材料中的痕量杂质要求提出特殊要求。 稀土元素之间结构、物化性能相似，分离系数小；且碱土、过渡族金属与稀土某些性质非常相似，提纯难度大。国外以日本、美国、英国为主，掌握了高纯稀土材料制备核心技术，稀土化合物纯度达到5N~6N，稀土金属提纯达到4N5~5N级，并实现稳定批量，但其技术和超高纯稀土产品均对我国严格封锁。 目前，我国在高纯稀土制备方面与国外还存在较大差距。例如，在稀土化合物方面，国内可以大规模生产3N-4N稀土氧化物，但5N稀土氧化物仅少数厂家生产，大部分杂质元素如Fe、Al、Ca、Si等含量难以控制到1ppm以下；国内高纯稀土卤化物尚处于产业化起步阶段，仅基本掌握4N级高纯无水稀土卤化物制备技术，产品种类少，水、氧杂质含量难以控制到50ppm以下，敏感放射性杂质含量缺乏有效控制手段；在稀土金属方面，我国近年来实现了16种4N级超高纯稀土金属提纯技术的突破，并开展4N5级高纯稀土金属的提纯技术研究，但对于高端应用场景，现有的技术手段对于ppb级的痕量杂质去除效果差，生产效率低、成本高，4N5级高纯稀土金属难以批量化生产。 为保障我国高端装备、电子信息、国防军工等领域关键核心材料的自主可控，针对目前高纯稀土提纯工艺流程复杂，装备规模小、提纯效率低、制备周期长等问题，如何解决稀土基体中痕量杂质的高效分离问题，突破5N~6N超高纯稀土化合物、4N5~5N级高纯稀土金属工程化制备技术和关键敏感杂质痕量去除技术，开发精准控制的大型高效提纯新装备是亟待解决的重大工程技术难题。 稀土元素之间结构、物化性能相似，分离系数小；碱土、过渡族金属与稀土某些性质非常相似，提纯难度大。国外以日本、美国、英国为主，掌握了高纯稀土材料制备技术，且对我国严格封锁，稀土化合物纯度达到5N~6N，稀土金属提纯达到4N5~5N级，并实现稳定批量。国产稀土化合物及金属产品纯度及规模化制备水平仍低于国外。为保障我国高端装备、电子信息、国防军工等领域关键核心材料的自主可控，针对目前高纯稀土提纯工艺流程复杂，装备规模小、提纯效率低、制备周期长等问题，开发5N~6N超高纯稀土化合物、4N5~5N级高纯稀土金属批量稳定制备技术和关键敏感杂质痕量去除技术，开发精准控制的大型高效提纯新装备是亟待解决的重大工程技术难题。
推荐机构： 中国有色金属学会
