基础前沿交叉领域2019年进展与趋势*

刘小平 吕凤先

（1.中国科学院文献情报中心，北京100190；2.中国科学院大学经济与管理学院图书情报与档案管理系，北京100190）

基础研究在丰富人类知识体系、深化人类对世界的认识、促进经济社会的发展、培养创新型人才等方面发挥重要作用。在基础前沿领域保持世界领先地位是美欧等发达国家科学技术发展的优先事项。近年来，基础研究呈现了融合发展的趋势，基础研究成果的产出具有鲜明的学科交叉特征。本文将聚焦基础前沿交叉领域，从数学及其交叉、物理及其交叉、化学及其交叉、纳米科技等方面，分析世界主要国家的战略、计划、重要研究进展，供科研人员与决策者了解这一领域的整体发展动向。

1 基础前沿交叉领域的战略与计划部署

1.1 美欧日持续关注基础研究

美国2021财年研发预算的优先事项、日本登月型研发制度的建立，表现了美国、日本对突破性创新、挑战性基础研究的重视。

2019年8月30日，美国政府签署“2021财年研发预算优先事项”备忘录［1］，其中，五项高度优先的跨部门行动之一，是支持高风险和潜在高回报的变革性研究。美国继续支持大胆的思考和具有潜在变革性的研究想法，各部门和机构对其研发投资的风险予以支持，确保充分考虑投资潜在变革性研究的利与弊。自2017以来，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）通过创业研究和试点，为十大创新建议奠定了基础，并于2019年在每个创新建议上投资3000万美元。十大创新建议聚焦六大前沿领域（包括量子跃迁以及多信使天文学等）、四项中长期改革计划（支持学科融合汇聚，致力于资助大胆的、新颖的、长周期的基础研究问题等）［2］。2019年4月，美国空军科学研究办公室（Air Force Office of Scientific Research，AFOSR）投入约3亿美元资助四大方向34个研究主题开展基础研究［3］。四大方向聚焦工程与复杂系统、信息技术与网络、物理学、化学与生物学。其中，工程与复杂系统旨在研究影响航空航天科学未来的关键基础科学和知识，并对其加以利用；信息技术与网络旨在引领数学、信息和网络导向的科学性基础问题的发现和发展，研究重点包括探索数学规律、基础科学原理以及新的、可靠的、稳健的算法，这些是实现智能、混合人机决策的基础；物理学旨在将基础物理学的发现转化为空天和网络能力，研究重点是提升对物理世界的基本认识，包括量子物质和设备，等离子体和高能密度物理学，光学、光子学和电磁学，航天材料；化学与生物学支持广泛的基础化学、生物学、力学和生物物理学研究。

2019年7月，欧盟委员会宣布“地平线2020”计划的2020年预算，继续资助“好奇心驱动的科学”，也称为“前沿研究”，将为杰出的研究人员提供22多亿欧元的基金支持。

2019年3月，日本正式确立“登月型研究开发计划”，旨在推动更为大胆的挑战性研发，促进产出更多颠覆性创新成果。该计划提出重视基础研究，以宽容失败的方式发掘和培育变革性研究成果；鼓励独创性基础研究活动，构建有利于基础研究的投资环境［4］。2019年4月，日本文部科学省发布《提高研究能力改革》报告，提出了推动研究成果产出的措施，实施与大学改革相结合的研究人员、资金及环境改革，延长年轻研究人员的任期，建立研究基金系统，大学之间共享研究设备和研究仪器等，并鼓励加强对外交流合作［5］。

1.2 美中部署数学及其交叉领域战略与计划

数学与人工智能融通共进，人工智能的基础是数学，数学需要和多个学科联合在人工智能领域发挥重要作用。2019年，美国总统特朗普签署行政命令，启动美国人工智能行动计划。美国更新了人工智能研发战略计划（The National Artificial Intelligence Research and Development Strategic Plan：2019 Update），重申人工智能研发需要多学科领域科学家的合作，包括计算机和信息科学、人工智能、认知科学、心理学、数学等学科的专家。更新后的计划指出数学的基础支撑作用，理解人工智能的理论能力和局限性具有潜在长期回报，数学、控制科学和计算机科学等学科应联合研究，基于现有硬件环境，开发出统一的理论模型或框架来理解人工智能系统的性能［6］。

2019年7月，为了加强我国数学科学研究，科技部、教育部、中科院、自然科学基金委联合制定《关于加强数学科学研究工作方案》，将持续稳定支持基础数学科学，加强应用数学和数学的应用研究，深化高层次国际交流与合作。

1.3 各国支持物理前沿基础研究

2019年，美国科学院发布《操纵量子系统：评估美国的原子、分子物理和光学》（Manipulating Quantum Systems：An Assessment of Atomic，Molecular and Optical Physics in the United States）报告［7］，提出了原子、分子物理学和光学（Atomic，Molecular and Optical Physics，AMO）的挑战与机遇。报告建议，投资基于好奇心驱动的原子、分子和光学科学，探索多样化的科学思想和方法；为基于AMO的量子信息系统科学发展、工程和早期应用提供协调支持；资助量子传感研究，研究超出标准模型的基础物理问题；增加对基于空间和实验室的AMO理论和实验投资；投资利用超高速X射线光源设施的广泛科学领域。

2019年，为欧洲战略小组更新粒子物理战略做前期准备，欧洲核子研究中心发布《物理简报》（Physics Briefing Book）［8］，聚焦粒子物理学的八个主题：弱电物理学（W、Z、H玻色子，顶夸克和量子电动力学）、味物理和电荷-宇称破坏（CP破坏）（夸克、带电轻子和稀有过程）、暗物质和暗扇区（加速器和非加速器暗物质、暗光子、暗扇区、轴子）、加速器、超越标准模型、强相互作用（微扰和非微扰量子色动力学、重离子）、中微子物理，以及仪器和计算领域。在超越标准模型方面，强调未来对撞机等大装置需要能够精确测量希格斯玻色子的相互作用及性质、弱电尺度附近的相互作用或新粒子、未被破坏的宇宙粒子、弱相互作用等。暗物质探测方面，提出需要全面部署实验和技术来探测可能存在的暗物质，并加强高能物理学和天体物理学界的合作。

2019年，欧洲技术平台Photonics21镜像工作组（Mirror Group）启动名为“先进制造中的光子学”的多国（英国、德国、法国等七国参与）合作研究、开发及创新项目征集［9］。光子学项目将分为产品和工艺两类，专注于光子技术及其在特定制造过程和产品中的集成，具有显著改进相关工艺和产品的潜力，涉及的技术包括：光子固化、光学过程控制／过程分析技术、三维光学传感及成像、激光雷达、光刻（掩膜光刻、立体光刻、激光光刻等）。单个项目资助金额在75万～200万欧元之间。

2019年，日本政府讨论了《量子技术创新战略中期报告》，提出量子计算机与量子模拟（硅量子比特、离子阱、光子计算机）、量子传感与计量（阿秒激光、重力传感器、电子自旋量子传感器）、量子通信与密码（量子存储、量子传输技术）、量子材料（拓扑量子物质、自旋电子材料）四个技术领域的基础问题［10］。

1.4 美、欧部署化学及其交叉重要方向

美国能源部（Department of Energy，DOE）重点关注人工光合作用产生液体太阳能燃料［11］，提出的优先研究问题包含：在分子尺度理解太阳能燃料生产过程，预测、设计具有更高寿命和预期活性的组件；探索、理解和调整催化活性中心周围局部区域的结构、组成，研究动力学，指导化学反应途径；使太阳能激发与化学变化直接相互作用，实现太阳能向化学能的高选择性和高效率转化；调整复杂现象的相互作用，实现集成的多组分系统。

DOE重点关注将废弃塑料转化为高价值燃料、化学品和材料［12］，提出的优先研究问题包含：掌握聚合物解构、重构和功能化的机制；设计用于化学循环的新一代聚合物，分子构建模块能够简单、重复地使用；开发新工具来发现和控制大分子转化的化学机制。

2019年，为了更好地利用日益发展的计算技术，美国催化学者提出利用数据科学推动催化科学可持续发展。对于未开发的数据资源需要考虑：放入数据库的数据类别以及其原因；利用机器学习技术开发失败的实验数据；开发包括完善、有效的合成、表征和测试实验数据的数据库，加速催化剂的发现［13］。

欧盟委员会在2018年5月公布的《电池战略行动计划》中宣布将设立一个大型的电池研发长期计划。2020年初，欧盟“电池2030+”（BATTERY 2030+）计划工作组发布了电池研发路线图第二版草案，提出未来10年欧盟电池技术的研发重点，旨在开发智能、安全、可持续且具有成本竞争力的超高性能电池。该路线图草案指出，未来将围绕材料开发、电池界面／相间研究、先进传感器、自修复功能四个主要研究领域，以及制造和回收利用两个交叉研究领域开展新概念技术研发活动［14］。

1.5 多国布局纳米科技研发

纳米科技的快速发展及其对现代科学和高技术的深刻影响，已经得到了世界的公认，从而确立了在21世纪的战略地位。2000年以来，已有60多个国家和地区发布了国家级纳米科技发展规划，并不断投入巨资加强纳米科技研究。

美国2000年制定了国家纳米技术计划，并在2001、2004、2007、2011、2014、2016年对该战略计划作了更新，以抢占纳米科技以及产业化的发展制高点。在此框架下，全美的纳米研究相关中心、大学、国家实验室建立起联系，组成了庞大的纳米科研支撑体系，支持纳米科技各领域从前沿探索、应用研究，到市场化技术开发的全产业创新。美国国家纳米技术计划在2001—2020年的累计投入已接近290亿美元。2019财年，美国国家纳米技术计划资助的5个计划领域分别是：纳米技术联合计划及重大挑战、基础研究、应用／器件与系统、科研基础设施及设备、环境／健康／安全。2019年年底，美国国家纳米技术协调办公室推出了纳米技术创业网络，以促进纳米技术的商业化。

2019年8月，欧盟“地平线2020”计划资助建立纳米光子学、先进材料和新型晶体生长技术卓越中心。项目起止日期为2019年10月1日～2026年9月30日，总预算达15亿欧元左右。

2019年3月，法国发布“纳米电子学2022计划”［15］，重点支持：新一代电子元器件的研发与预工业化，以满足汽车、5G、嵌入式人工智能、物联网、航空航天和国防安全等方面的需求；电子元器件从研发到产品的全过程。

2019年1月，韩国科学技术信息通信部宣布“2019年纳米材料领域技术开发的实施计划”，旨在系统性支持具有人脑计算能力的未来半导体新器件核心技术开发，研究具有新特性与新功能的未来材料。

2 基础前沿交叉领域重要进展

2.1 数学及其交叉领域

2019年，有些最基础的数学概念、数学方法被重新审视，有些最难的数学谜题取得重大进展，还有一些已经存在很久的问题得到解决。

黎曼假设提出，如果对黎曼ζ函数进行绘图，会看到函数中一些特定的0点都落在一条特定的直线上。这一假设通常被认为是当前数学中最大的未解决问题。2019年，数学家Michael Griffin、Ken Ono、Larry Rolen、Don Zagier通过使用Jensen多项式，证明了许多Jensen多项式的确有实根，这满足了证明黎曼假设所需的大部分条件，为黎曼假设的正确性提供了新证据［16］。

欧拉方程被用于描述流体中无穷小粒子的瞬时运动。多年来，很多数学家一直怀疑欧拉方程在某些特定的情况下会失效，但没有人能给出确切的证明。2019年，数学家Tarek Elgindi用一个新的证明找到了能让欧拉方程失效的特定条件，在一定程度上简化了欧拉方程需要处理的工作，找到了欧拉方程的“奇点”，证明了在欧拉方程中，当流体中的两个环相向运动时，在相撞的点上能得出无穷大的涡流结果，从而导致欧拉方程在这一点上失效［17］。

对极大的数字来说，现有的乘法算法并不高效，因而精进乘法算法对于提升计算速度来说有着至关重要的意义。传统的乘法算法在计算n位数相乘的运算时一般需要n2步。1971年，德国数学家Arnold Schonhage和Volker Strassen将运算量减少到n×log（n）×log（log（n））步，并推测出对n位数数字的相乘来说，极限步数应该是n×log（n）。2019年3月，数学家David Harvey和Joris van der Hoeven实现了这一极限步数［18］。

是否每一个整数都可以表示为三个整数的立方和？即是否存在整数k、x、y、z，使得对于所有的k，它们都满足丢番图方程（Diophantine Equation）k＝x3+y3+z3？2019年，100以内没有被求出解的最后两个整数（33和42）被先后求解。2019年3月，英国数学家Andrew Booker利用超级计算机找到了属于33的解［19］。同年9月，Booker与MIT的数学家Andrew Sutherland通过一个行星计算平台找到了属于42的解［20］。

2.2 物理及其交叉领域

2.2.1 物理基础前沿研究向微观深入

标准模型是描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论，可以解释大量实验结果，但是对粒子质量的来源、夸克和轻子深层特征标度、模型深层次的基本规律等基本问题还有待深入研究［21］。2019年，研究人员在反物质波粒二象性、CP破坏、五夸克态、中微子质量的研究方面取得重要进展。

1）瑞士伯尔尼大学与意大利米兰大学等合作，发现反电子具有类似于波的行为，并且会发生量子干涉现象。正电子的衍射图样会随着正电子束能量的改变而改变。这项突破可能会引领更多的实验来寻找物质和反物质量子性质之间的差异［22］。

2）CP破坏是宇宙中物质-反物质不对称性的必要条件之一，在K介子和B介子衰变中都已经发现了CP破坏现象。在粲物理过程中寻找CP破坏一直是粒子物理学的重要前沿课题。2019年3月，欧洲核子研究中心（Conseil Européen pour la Reacherche NucléAire，CERN）的LHCb合作者在意大利的Rencontres de Moriond会议上公布观测到了粲粒子（包含粲夸克的粒子）衰变中的CP破坏。这是理解基本粒子相互作用的一块重要拼图，理论物理学家需要解释此次的发现，弄清楚标准模型是否可以解释这一结果［23］。

3）夸克理论是粒子物理学标准模型的关键组成部分。2015年，CERN首次发现五夸克粒子。2019年，CERN发现第三种五夸克粒子，新发现使对五夸克态的理解又进了一步，有助于更好地理解物质构成的秩序，揭开宇宙物质基本结构的奥秘［24］。

4）中微子质量对于宇宙学模型来说很重要，有助于解决诸如为什么宇宙中物质比反物质多等谜题。英国伦敦帝国理工学院等机构限定了中微子家族中最轻成员的质量——不超过0.086eV，约为单个电子质量的600万分之一［25］。德国卡尔斯鲁厄氚中微子实验确定了中微子的质量的上限——1.1eV，不到单个电子质量的50万分之一，新结果是以前质量限定值2eV的一半左右［26］。

5）宇宙线的研究对研究银河系内宇宙线起源、物质基本结构及其相互作用规律、天体的形成等具有重要意义。2019年“悟空”号国际合作组首次利用空间实验实现对高达100 TeV的宇宙线质子能谱的精确测量，该能量上限比丁肇中先生领导的阿尔法磁谱仪（AMS-02）实验高出约50倍，比日本科学家领衔的CALET实验最新结果高出10倍［27］。

2.2.2 物理基础前沿研究向宏观拓展——黑洞

天文学家根据质量的不同，将黑洞大致分为恒星级黑洞（100倍太阳质量以下）、中等质量黑洞（100～10万倍太阳质量）和超大质量黑洞（10万倍太阳质量以上）。2019年，人类获得首张黑洞照片、深入探索超大质量黑洞、发现最大恒星级黑洞、深入探索黑洞的性质。

1）2019年4月10日发布的首张黑洞照片，让人类首次看到距离地球5500万光年、质量为太阳65亿倍的超大质量星系中心黑洞的“面貌”。

2）德国天文学家在名为“NGC 6240”的星系中央发现了3个超大质量黑洞。该星系距地球约3亿光年，这3个黑洞位于不到3000光年的空间区域内彼此相邻，质量都超过太阳质量的9000万倍［28］。

3）中美等国的国际研究小组利用郭守敬望远镜、加纳利大望远镜等发现最大恒星级黑洞，70倍太阳质量远超理论质量上限，有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新［29］。

4）中国科学技术大学揭示超大质量黑洞吸积盘外流的物理特性。研究人员利用从斯隆数字巡天中得到的915个类星体的宽吸收线光变的统计性质，得到了超大质量黑洞所驱动高速气体的物理性质分布，报告了外流的尺度分布及其动力学光度，证明了高速外流气体有足够的能量影响星系演化［30］。

5）日本大阪大学、日本大学和中央大学组成的研究小组提出一个新理论框架，通过桌面实验即可理解黑洞的物理性质，该理论有望从极小尺度和超大尺度两方面阐明宇宙运转的基本定律［31］。

2.2.3 拓扑物态领域取得重大进展

拓扑物态是由量子效应导致的与某些拓扑性质相联系的新物态，具有对环境细节不敏感的特性，可以实现信息和能量的无损耗传播，有望推动能源和信息产业的发展和变革。在该领域，二维拓扑绝缘体、三维拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、拓扑半金属研究相继取得重大突破。2019年，拓扑物态领域重要进展主要包括：

1）继2018年底我国科学家观测到基于外尔轨道的新型三维量子霍尔效应后，2019年，我国科学家与新加坡、美国的科学家合作，在五碲化锆（ZrTe5）块体单晶材料中首次观测到三维量子霍尔效应［32］。

2）中美科学家以拓扑量子化学理论为基础，设计自动化流程，在自然界中筛选出可能具有拓扑结构的材料，改变了拓扑量子材料的研究范式，拓展了拓扑材料的研究范围。中国科学家筛选出可能成为拓扑材料的8000种无机晶体材料、241种拓扑绝缘体、142种拓扑晶体绝缘体、692个拓扑半金属；美国科学家筛选出可能成为拓扑材料的3307种拓扑绝缘体、4078种拓扑半金属［33-35］。

3）新加坡南洋理工大学与浙江大学合作，实现了二阶声学拓扑绝缘体，该类拓扑绝缘体能够进行四极子极化，具有可量子化的非平庸体拓扑Wannier中心。该结构中的晶格表现为受声学角态影响的量子化偶极矩，改变角态可以控制受拓扑保护的局部谐振情况。与此研究相似，纽约城市大学证明了二维声学元结构可以具有非平凡的体拓扑极化，并且具有独特的声学特性，可以容纳一维边和Wannier型的二阶零维角态。可观察到受到元结构广义手征对称性保护的二阶拓扑态，广义手征对称性局限于角点，具有零能量［36］。

2.3 化学及其交叉领域

2.3.1 新物质创制

新物质创制研究在促进科技进步和社会生产力发展中扮演重要角色。2019年，新物质创制的研究既瞄准预测结构的化学合成，又围绕特定功能需求的化学合成展开。

1）瞄准预测结构

美国康奈尔大学诺贝尔化学奖得主Roald Hoffmann曾预测，碳可以与附近的两个碳原子形成键，进而形成纯碳环。IBM苏黎世研究实验室与牛津大学合作合成出第一个由18个原子组成的环状纯碳分子。研究人员从一个由碳和氧组成的三角形分子入手——用电流操纵来制造这个碳-18环，环碳原子由单键和三键交替连接在一起形成碳环［37］。

2）围绕特定功能需求的化学合成

（1）具有立构规整性的聚乙烯基醚

对于同一种聚合物，具备立构规整性结构的聚合物有更好的机械性能。美国北卡罗莱纳大学教堂山分校设计了具有手性的阴离子，合成出具有立构规整性的聚乙烯基醚［38］。

（2）单原子催化取得系列重大进展

单原子催化剂是一种特殊的负载型金属催化剂，专指载体上的所有金属组分都以单原子分散的形式存在。单原子催化剂由于其特殊的结构而呈现出显著不同于常规纳米催化剂的活性、选择性和稳定性。2011年，中国科学院大连化学物理研究所与清华大学、美国亚利桑那大学合作，在国际上首次报道了单原子催化剂的制备与性能，开发了FeOx负载的单原子Pt催化剂，“单原子催化”概念首次被提出［39］。2014年后，单原子催化迅速成为催化领域的研究前沿。

单原子催化剂合成方法：单原子催化剂合成策略可分为三类，包括空位缺陷锚定策略、空间限域策略、配位设计策略。在配位设计策略方面，2019年3月，浙江大学和斯顿工业大学合作报导了一种原子级分散的S、N配位的Ni单原子析氧反应（Oxygen Evolution Reaction，OER）催化剂，其Ni单原子与多孔碳纳米片中的氮和硫配位，稳定分散于N掺杂C基底上。作为一种电催化剂，在10mA／cm2条件下具有1.51V的较小过电势和45mV／dec的小塔菲尔斜率，这种电催化剂是所有报道过的过渡金属和杂原子掺杂的碳电催化剂中最好的，甚至优于Ir／C催化剂［40］。

单原子催化剂的应用：单原子材料具有最大的原子利用效率和独特的性能，在合理利用金属资源和实现原子经济方面具有巨大的潜力。①CO2还原。单原子催化剂在CO2还原工业中具有很高的效率和选择性。2019年2月，中国科学技术大学发表了一种由大块金属出发合成单原子催化剂的方法，证明了在N掺杂碳和大块镍金属之间的固态扩散可用于合成分级、自支撑、原子级的Ni基催化剂。该方法可量产，所获得的样品可直接用作无粘结剂电极，用于CO2电解还原［41］。2019年6月，瑞士洛桑理工学院和中国台湾大学联合发表论文，报道了Fe（Ⅲ）单原子催化剂在CO2还原中便具有较低的过电势［42］。②氧化还原反应（Oxygen Reduction Reactions，ORR）。单原子催化剂已被报道可作为一种高效的ORR催化剂。2019年2月，加拿大韦仕敦大学报道了一种竞争性络合策略可用于合成Co-Zn单原子对进而用于ORR及锌空电池［43］。2019年3月，中科院化学所发表了一种通用策略用于制备高载量的金属-N单原子催化剂，载量高达12.1 wt%。其中，Fe单原子催化剂具有很好的ORR活性。得益于高载量的Fe-N单原子所暴露的活性位点，这种Fe-N单原子催化剂表现出优于Pt-C电极的ORR催化性能［44］。③促进多硫化锂向硫化锂的转换。2019年2月，中国科学技术大学报道了一种单原子Co催化剂，用于促进多硫化锂向硫化锂的转换。研究人员发现单原子Co-N-C配位中心是一个双功能电催化剂，可以分别促进放电和充电过程［45］。

3）点击化学的进展

中科院上海有机化学研究所基于一种重氮转移试剂建立了模块化点击化合物库。FSO2N3进行重氮转移反应时，在温和条件下，可以数学计量（1∶1）的形式，快速、正交地将一级胺官能团转化为对应的叠氮，合成对应的叠氮砌块库。该化合物库不需分离纯化就可以和任意给定端炔化合物进行环加成反应，直接进行功能筛选。基于这种模块化的合成方式，可以在短时间内对于给定药物小分子或者大分子砌块进行多次改造。合成效率的提高对于药物先导分子的发现将起到直接的作用［46］。

2.3.2 化学合成技术向绿色化迈进

美国麻省理工学院成功开发出一种电化学反应装置，在常温常压下通过烯烃与水的反应产生环氧化合物，且不会排放二氧化碳［47］。丹麦化工企业利用电流加热，成功降低天然气蒸汽重整生成合成气过程中的温室气体排放。如果全世界的蒸汽重整装置都改为采用电加热，且使用来自可再生能源的电能，预计全球二氧化碳排放量可以因此减少约1%［48］。

2.3.3 大数据、人工智能推动化学合成发展

美国纽约大学利用机器学习技术成功提高了己二腈电化学合成的效率，并使己二腈产量提高30%，副产物产量大幅下降，己二腈与副产物的比例增加了325%［49］。瑞士洛桑联邦理工学院使用机器学习从失败数据中获取优化合成金属-有机框架的化学直觉，生成迄今BET（Brunauer-Emmett-Teller）比 表 面 积（2045m2g-1）最 大 的HKUST-1（全称为Hong Kong University of Science and Technology-1，又名CU-BTC，由铜离子和1，3，5-苯三羧酸（1，3，5-benzenetricarboxylic acid）组成）［50］。

2.4 纳米科技领域

麦克斯韦方程组扩展到纳米领域。2019年12月，美国麻省理工学院在Nature上发表题目为“纳米级电子磁学的一般理论和经验框架”的文章［51］，提出一个模型，成功地将宏观电磁学的有效性推广到纳米领域。新模型和实验无论是对基础科学还是对各种应用学科都有重大意义，在电磁学、材料科学和凝聚态物理之间建立了全新的联系，可能带来包括化学和生物学在内所有相关领域的新发现。

碳纳米管芯片取得重要进展［52］。MIT的研究人员制造出一个完全由碳纳米晶体管构成的16位微处理器RV16X-NANO，包含14000多个碳纳米管晶体管。这是新型芯片制造的一个重大里程碑，涉及从材料科学到加工技术、从电路设计到电气测试等许多研究课题。

纳米机器人取得重要进展。2019年7月，美国科学家借助光声断层成像技术，实时控制纳米机器人准确抵达人体指定部位，并给病变的细胞送药，或对癌变的细胞进行智能微手术［53］。

纳米生物医药取得突破性进展。韩国成功开发了用于制造人工肌肉的3D打印机技术［54］，将黄金纳米粒子添加到生物墨水中，成功打印出肌纤维束，有望通过肌细胞再生技术治疗疑难肌肉疾病。东南大学开发了一种由磁热驱动，可克服肿瘤内扩散障碍和发挥协同治疗效应的可注射超分子水凝胶纳米酶［55］，将纳米酶催化治疗引入到磁感应热疗中，42℃温热疗即可消退小鼠乳腺癌皮下瘤，为肿瘤协同治疗提供了新的策略。

纳米器件取得突破性进展。三星先进技术研究院发展了一种以尺寸均匀的磷化铟（InP）为内核，实现无镉量子点的合成方法，其量子产率约为100%，实现了优异的量子点发光二极管的发光性能［56］。这些基于InP的量子点发光二极管有望很快在商业显示器中使用，并引发新一轮的商用技术革新。

3 未来发展趋势展望与建议

数学各分支更加深入交叉融合汇聚，一个分支领域的观点和思想应用到另一分支领域，促进数学重大问题的解决；与自然科学、工程技术更加广泛的交叉融合；对人工智能的基础推动作用得到广泛共识，人工智能的发展要求数学与其他学科深度融合，解决人工智能的关键问题。美、英等国家均提出了通过高等教育培养数学人才的举措。美国科学、技术、工程和数学教育（Science，Technology，Engineering and Mathematics，STEM）注重培养计算思维［57］，DOE在其计算科学研究生奖学金项目中增加了新的项目，支持申请应用数学、统计学等研究生学位的学生［6］。英国增加数学教育在全国范围的覆盖，在吸引国际优秀数学人才方面加大投入［58］。我国已提出通过对基础数学研究进行持续稳定的支持、加强应用数学研究、深化高层次国际合作的举措来发展数学。面对激烈的国际竞争，在人才培养方面，我国应继续为数学发展创造更好的环境，同时挖掘国内优秀的数学人才、吸引国际优秀人才，探索我国的优势领域。

物理学研究不断向超微观方面深入和超宏观拓展。美国和欧洲等国家／地区注重大科学装置对物理学发展的作用，尤其是对量子信息科学与暗物质探索的作用。欧洲还强调关注对大装置的全面探索，对暗物质探索实验进行顶层设计。美国强调通过原子、分子物理学和光学研究超出标准模型的基础物理问题。大装置是完善标准模型的重要工具，重视大装置建设，还应重视综合性能的开发，各类型人才的培养与工作环境的创设，以及开展方法学的研究。另外，国际上同种类型大装置建设单位在实验技术与分析方法上各具特色，应结合各自优势展开多方位合作。

化学科学继续在绿色化道路上前进，创造新物质依然是化学的核心任务。纳米农药、对映选择性有机催化、固态电池、流动化学、反应挤出、金属有机框架和用于集水的多孔材料、选择性酶的定向进化、从塑料到单体、自由基聚合的可逆失活、生物3D打印有望取得快速发展，促进社会福祉和地球可持续性发展［57］。在创造新物质方面，美欧等主要国家在重要成果产出及快速转化方面加强部署，在激烈的国际竞争环境中，我国需要加强基础研究，拓展对组成-结构-性能之间的关系和有关规律的理解，为后续的快速转化奠定基础。

纳米科技逐渐由基础研究向应用研究及产业化转变，美国、欧洲、韩国等国强调对纳米科技进行系统性长期支持，美国通过国家层面的计划建立了纳米科技的生态系统，将纳米科技各领域从前沿探索、应用研究，到市场化技术开发连接起来。纳米医药、碳纳米管芯片、纳米机器人、纳米器件取得重大突破。中国在纳米科学和技术研究领域的产出，包括部分高质量的研究产出，处于领先地位，并且具有较高的增长速度。2019年，我国启动了粤港澳大湾区纳米创新产业集聚区，聚焦纳米智能技术、纳米生命与健康技术、纳米创新能源与环境、纳米超复合材料四个产业方向，为了确保向应用研究和产业化的顺利转变，建议重视科技成果转化能力的提升，注重夯实基础研究、应用研究、市场化技术开发之间的连接，培育专业化科技人才队伍，完善评价、技术转移等方面的机制建设。