一文读懂 | 2021重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题

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摘要:7月28日,中国科协在第二十三届中国科协年会闭幕式上发布了10个对科学发展具有导向作用的前沿科学问题、10个对工程技术创新具有关键作用的工程技术难题,并首次发布10个对产业发展具有引领作用的产业技术问题。

前沿科学问题

 
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如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术?

加强大尺寸晶体材料研发与装备制造协同发展,是建设制造强国的重要途径,在我国面临的“卡脖子”技术中,大半以上是材料和装备问题,如缺少大型烧结炉。

突破该问题后,会大幅提升我国大尺寸合金、玻璃、陶瓷、光纤、晶体等新材料产业与高端装备制造业的发展水平,形成具有我国自主知识产权的技术与装备,破解我国面临的“卡脖子”技术难题,实现“中国制造2025”、“2035材料强国”等国家重大战略的目标。

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纳米尺度下高效催化反应的作用机制是什么?

通过对纳米催化过程的限域效应研究能够加深人们对于催化反应本质的认知,进而为高效纳米催化体系的开发及其工业化应用提供坚实的理论支撑。

未来催化科学和技术的目标是温和条件下的高效可控转化,纳米催化作为新一代催化技术使人类向该目标迈进了一大步。
 
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农作物基因到表型的环境调控网络是什么?

在应对气候变化的大背景下,揭示作物基因作用的分子机制和重要农艺性状形成的环境分子与生理基础,并在获取相关基因信息和表型信息的基础上,关联表型与基因型及其环境条件,有利于构建分子定向设计育种体系,促进培育高产、稳产、优质、高效和环境友好的突破性农作物新品种,并有利于加强精准化栽培管理,有效落实“藏粮于地、藏粮于技”,全面推进乡村振兴。

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中微子质量和宇宙物质-反物质不对称的起源是什么?

中微子质量及其他基本性质的实验和理论研究是粒子物理学的重大基本问题,特别是中微子的质量顺序、轻子部分的CP破坏现象和中微子质量的马约拉纳属性。这些基本问题的解决不仅对建立更完善的粒子物理学理论至关重要,也对相关研究领域的发展影响深远。

中微子的探测和无中微子双贝塔衰变的观测都要求更大规模的探测器、更高的能量分辨率和更低的本底噪声,为此研发的探测技术和硬件设备将来一定会有更广泛的应用前景。

除此之外,中微子振荡和无中微子双贝塔衰变实验的大型探测器对暗物质粒子、超新星中微子、高能天体中微子的观测同样具有巨大的潜力,将会对暗物质物理、多信使天文学、天体物理和核物理的研究产生重要影响。

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地球以外有统一的时间规则吗?

统一时间问题是构建人类命运共同体的技术基础,它既有理论技术内容,又有管理和文化的色彩。

现有的时间管理理论和方法仅仅适用于地球及其附近空间,不适用于更广域的宇宙空间。由此出现了“空间守时系统”新概念,这不仅仅是概念创新,更重要的是颠覆了传统时空观念。

在新的历史时期,由中国人提出并引领空间守时系统,将产生重大的历史意义和现实价值。21世纪,以信息和航天产业为引领展开了新的产业革命,深空探测和地外基地的布局是未来20年发展的热点,重新制定时间管理规则成为大势所趋。

脉冲星的发现,和广义相对论的普及应用,给了我们难得的机遇,中国学者抓住了机遇,首先提出了空间守时系统,定义时间起始原点,引领全人类开发地球以外的时间规则,将在人类计量历史上翻开新的篇章。

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大脑中的记忆是如何产生和重现的?             

记忆印迹的信息编码与读取研究从基础学术角度,有助于找到信息高效存储的生物学本质,对人类的思维与认知基础进行定量研究。

从人类健康角度,有助于推进高效高速脑机接口策略的探索,为脑功能修复提供全新的选项。从类脑智能角度,有助于发展全新的计算模型,产生仿生物的高效智能计算网络。

从人类发展角度,该研究会为将来保存思维和记忆、实现长时间空间跨度星际旅行提供可能的一种选项,使得人类知识甚至个体意识的延续成为可能。

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以新能源为主体的新型电力系统路径优化和稳定机理是什么?

构建以新能源为主体的新型电力系统对我国能源转型具备重要的意义,是我国新能源的持续快速发展、如期实现“碳达峰、碳中和”目标的前提与基础。

本问题涉及新能源、电气工程、控制和气象等学科,学科跨度大、融合程度深,有望孕育新的学科增长点,为我国能源相关领域提供重要的参考和支撑。

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铝合金超低温变形双增效应的物理机制是什么?

通过突破超低温下双增效应的微观机制,建立超低温成形技术体系,发展出与现有冷成形、热成形并列的第三大类成形制造技术,为大尺度铝合金、铝锂合金整体结构薄壁曲面构件提供新一代成形技术,解决我国航天航空高端装备铝合金整体结构的难题,推动重型运载火箭、大型飞机、高铁等国之重器的发展。并且,利用超低温双增效应还可制备超细晶、超宽板幅、超薄铝合金材料,解决高性能铝合金材料制备难题,显著提升铝合金板材制造水平。

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  如何揭示板块运动动力机制? 

 

板块运动的驱动力问题一旦获得突破,对地球科学发展的影响将是巨大的,不但对大地构造学研究领域有突破性进展,而且对地形地貌演化、古地理学、地球生态环境系统演化以及“人类生存共同体”的发展都具有重大影响。

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“亚洲水塔”失衡失稳对青藏高原河流水系的影响如何?

在“亚洲水塔”整体失衡失稳的演化大背景下,开展青藏高原河流水系统变化过程与成因、影响及演化趋势等科学问题研究,对于丰富和理解气候变化背景下“亚洲水塔”失衡失稳的科学内涵和过程机理、减缓和应对这一演化趋势对我国及下游国家水资源供给安全影响和科学防治水旱灾害具有十分重要的科学意义和应用价值,同时对于开展全球其他气候变化影响严重区域河流系统变化研究具有重要的参考价值。 

工程技术难题

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如何高效利用农业微生物种质资源?

农业微生物种质资源是国家战略资源,是支撑农业绿色高质量发展的重要保障。加强农业微生物国家战略科技力量和农业微生物种业创新条件建设,系统梳理农业微生物种质资源领域的前沿科学问题和“卡脖子”技术难题,建设一支高水平农业微生物种质资源保护与利用专业化队伍,集智攻关前沿科学问题和关键技术,研发一批高效功能微生物绿色投入品,将对打好种业翻身仗,保障国家粮食安全,促进农业绿色高质量发展,保护人民生命健康具有重要的推动作用。

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如何解决三维半导体芯片中纳米结构测量难题?

三维芯片大深宽比结构可溯源测量是世界性难题,该难题取得突破后,将极大丰富和扩展计量科学和方法的创新,直接影响半导体芯片制造领域,并将促进半导体芯片进一步向多层堆叠结构发展,在三维世界中延续摩尔定律。

发展三维芯片大深宽比纳米结构的可溯源测量技术,一方面可使我国在半导体芯片测量领域率先突破。另一方面,该技术难题的突破将提升我国航空航天、国防军工等领域微纳器件的制造水平,对交叉领域科技发展产生重大影响,并发挥引领和带动作用。

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如何开发比能量倍增的全固态二次电池?

固态锂二次电池采用固体电解质取代传统电解液,由于材料体系兼容性和热稳定性良好,从而在能量密度和安全性上均可实现大幅度提升,固态电池比能量可达到现有锂离子电池的2-3倍。

目前,固态电池已成为各国争先角逐的新能源汽车热点技术,通过关键技术研发,在未来5-10年实现全固态电池的产业化,使固态电池比能量倍增到600 Wh/kg,应用领域从小型便携式电子设备拓展到动力和储能领域,预计2030年全球市场规模可达到数百亿甚至数千亿美元。

研究全固态电池关键技术并推进产业化,对实现全固态电池关键技术自主可控,加速我国新能源汽车技术进步,增强我国新能源汽车全球竞争力,节能减排和保障我国能源安全具有重要意义。

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如何发展我国自主超高分辨率立体测图卫星关键技术?

卫星测绘是航天遥感高精尖技术的聚集地,发展大例尺卫星测绘是建设测绘强国的必由之路,是维护国家地理信息安全的重要举措,有利于提升我国测绘地理信息的国际话语权,也是支撑国民经济高质量发展、国家治理体系和治理能力现代化的重要手段。

高质量、高时效的甚高分辨率卫星数据获取是必然的发展趋势,已成为衡量一个国家高技术水平的重要标志。
无论从航天遥感技术进步、国家安全保障,还是应用需求的角度,都需要发展优于0.3 m的甚高分辨率民用光学遥感卫星测绘,这是世界航天遥感的大势所趋、发展和应用所向。
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如何利用人工智能实现医疗影像多病种识别并进行辅助诊疗?

实现人工智能驱动下的医学影像多病种识别,不仅可以帮助医生实现对影像数据的全方位分析,对病灶的勾画,更加准确无误的实现疾病的诊断,有助于对疾病的精准治疗,更重要的有助于实现多病种的识别,通过疾病关联性等因素来干预和预防其他病种引起的并发症等,第一时间发现身体里的各种病变位置,进行有针对性的治疗,这对人类生命健康和社会经济发展意义重大。

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如何突破深远海航行装备制造与安全保障工程技术难点?

深远海与极地航行装备制造和安全保障工程关键技术难题突破后,有助于强化国家深远海战略科技力量,加强深远海领域原创性、引领性科技攻关,深入实施深远海与极地装备制造强国战略,提升产业链供应链水平。

通过深远海与极地装备制造和安全保障工程研发,加快核心技术创新应用,培育壮大发展新动能,构筑深远海与极地产业体系新支柱,具有巨大的经济效益。有利于构建和保障现代能源体系,加快深海、远海、极地和非常规油气资源开发利用。

有利于积极拓展海洋经济发展空间,深度参与全球海洋治理、海洋环境监测和保护。有利于加强南北极国际合作,拓展极地航线应用,进一步保障国家海洋权益。

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如何创建5G+三早全周期健康管理系统?

本项目聚焦“以治病为中心”转变为“以健康为中心”的政策导向,基于5G技术构建 “三早”健康管理系统,实现健康数据的系统性、连续性。

结合5G网络和可穿戴设备的监测系统,可为每位居民建立健康监测和疾病预警模块,为居民提供居家保健支持,将家庭成员的生理数据传送至社区卫生服务中心,实现疾病即刻诊断与干预,并可探索实现急性不良事件的预警预测,构建“医院—社区—家庭”健康管理服务模式。

5G+“三早”健康管理系统还可与现有的医疗机构信息系统对接,实现患者院内、院外连续跟踪和干预,并通过院外健康干预建立后续就医就诊计划。在“三早”健康管理系统中,瞄准造成居民疾病负担和死亡的重大慢性病,遴选多种适宜技术和服务模式。

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如何通过重要生态系统修复工程构建精准高效的生态保护网络和恢复生物多样性?

探索精准高效构建保护地网络,有助于促进就地保护、自然恢复等领域的理论创新,并为基于自然的解决方案等国际关注热点提供有益范例。在实践层面,有助于提升生态保护领域投入产出效率,增强生态保护规划和管理成效,实现保护和发展的双赢。

开展群落重建和生物多样性提升研究,可以有效遏制生物多样性和资源衰退,并促进生物资源快速恢复,大大提升我国重要生态系统稳定性和生态服务功能。

同时,将为我国提供重要的国家战略资源,从景观资源、生态资源和经济资源,促进“山水林田湖草”生态一体化建设,服务于我们生态文明建设和满足人们美好生活的实现。

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如何构建我国生态系统碳汇扩增的技术体系?

积极应对气候变化实现碳中和是我国实现可持续发展的内在要求,是加强生态文明建设、实现美丽中国目标的重要抓手,是我国履行负责任大国责任、推动构建人类命运共同体的重大历史担当。

在全球碳循环中,生态系统作用巨大,生态系统碳汇扩增作为一种高效可行、绿色可持续的减碳方法,是我国2060年实现碳中和目标重要途径。

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如何制造桌面级的微小型反应堆电池?

本问题突破后可以大大促进军事国防,太空探索,海洋利用等领域的重大发展,形成新一代的国之重器,为核动力发展引入新鲜血液,产生较大的科技经济和社会效益。

产业技术问题

 
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如何实现面向大规模集成光芯片的精准光子集成?

光芯片被认为是全球市场规模4.7万美元IT/通讯产业的核心使能技术的关键。大规模集成光芯片在未来网络、大数据(如高速宽带传输和交换)和人工智能(如激光雷达)中具有颠覆性的能力。

以精准光子集成为重要核心竞争力之一的技术思路不仅可以大大推动集成光芯片的发展,同时对培养面向光通信网络的中国特色集成电路和相关网络设备产业链也有极大的支撑作用。

在“卡脖子“高端光芯片上,一方面在传统技术和产业上努力跟踪追赶,另一方面更要在大规模光子集成上另辟蹊径,集中和发挥中国优势力量,引导光芯片未来发展潮流。

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如何开发针对老龄化疾病的医用人工植入材料?

当前适合高端植入医疗器械的高分子材料的研发/生产已经是迫在眉睫的工作。共性问题取得突破后,可以打破国外封锁和垄断,实现进口替代;开展具有自主知识产权的各类相关产品的深化研究;有效降低医保费用的支出,减少患者的经济负担。

目前,国产骨科植入物,尤其是人工关节产品,在竞争力上存在明显不足。利用当前的良好时机,推动个性化骨科植入物、个性化人工关节假体产业转化,在骨科植入物高端产品开发领域形成良性发展机制。

人工关节产业具有显著的经济效益和市场前景。突破解决全陶瓷摩擦副的规模化产业化制造存在的卡脖子难题,必将拉动更为巨大的相关医疗器械产业链技术、市场的发展,促进产业升级转型,同时将奠定技术基础和产业基础,提高经济效益和社会效益。

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如何开发融合软体机器人与智能影控集成技术的腔道手术机器人产品?

我国微创外科手术机器人领域部分产品现已实现跟跑或领跑,但是在经腔道手术机器人细分领域,国外部分样机系统已进入临床并审批FDA认证,相比国外,我们研发进度略显迟缓。

经自然腔道实现患者超微创手术的软体微创治疗机器人作为医疗机器人领域“皇冠上的明珠”,是国内外产业界的研发和产业化重点。本需求对标世界前沿,在核心部件、关键技术、机器人集成和临床应用研究等层面进行创新,实现经腔道手术的技术变革,具有重大战略意义。

现在腔道软体机器人技术全球基本处于同一起跑线,为避免国外技术垄断和专利保护,应早日布局支持相关科研团队抢占软体手术技术制高点或实现技术领跑,为早日实现我国腔道软体微创治疗机器人关键技术与产品开发的弯道超车。

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如何开发大规模低能耗液氢技术和长距离绿氢储运技术?

我国液氢生产及储运项目加速落地,掌握核心关键设备和技术至关重要,液氢的发展还将经历一个长期复杂的推广过程,企业的努力与国家的政策支持均不可或缺。国内正在开展自主液氢与深冷高压、有机液体储氢技术和装备的开发,加快液氢、有机液体储氢技术产业化实践,推动中国高密度高效率的液氢、有机液体储运加注技术进步。

解决了液氢核心设备、零部件等卡脖子技术后,低能耗、大规模液氢生产储运项目的大力推广,充分释放液氢、有机液体储氢在氢能产业中的独特优势,大幅度降低氢气储运成本。极大提升国产高端装备制造水平,助推中国实现碳中和、碳达峰,液氢和有机液体储氢技术大有可为。

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如何解决我国航空发动机短舱关键技术问题?

目前,我国没有专门研制完整短舱系统的机构或企业,但初步具备了民机反推系统以外的零部件研制能力。应瞄准这一“卡脖子”技术的战略需求,在“需求牵引、突破瓶颈”的思想指导下,开展短舱系统多学科集成优化设计体系与关键技术研究,开展中小型涡扇发动机的短舱系统验证机的研制工作。

此外,拟获取的研究成果不仅在航空发动机短舱的研制中具有至关重要的作用,而且可推广用于其它涉及到复杂系统多学科系统集成与优化的航空工程技术领域。这将为国产化短舱系统的研制奠定坚实的技术基础,对国家航空产业发展具有重要的战略意义。

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如何突破耕地重金属的靶向快速经济安全减污技术?

污染耕地重金属减量净化修复材料与技术的创新及应用是实现土壤重金属含量削减的关键,可以解决长期以来以钝化剂或调理剂为主的传统固化/稳定化方法难以根除耕地重金属污染的难题。

创制新型靶向减量净化修复材料,因其使用不受气候因素影响、不破坏土壤理化性质,并可实现回收再利用,是攻克现有土壤有效态重金属减量技术瓶颈的关键。

这种核心材料与关键技术的突破,不仅可为完成《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》中“保护耕地资源,防治耕地重金属污染”和党的十九大报告中提出的“强化土壤污染管控和修复”、“确保国家粮食安全”等重点任务提供新思路、新材料和新技术,而且可有力促进耕地土壤修复产业化发展。

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如何利用风光水加快实现“碳中和”目标?

依托青藏高原独特的自然环境,突破优化风光水能互补开发技术,对于贯彻新发展理念,以流域水循环推动双循环,构建流域新发展格局,实现高质量发展具有重要意义。

一是建设“亚洲水塔”形成水资源综合利用体系;二是加快实现“碳达峰”、“碳中和”;三是助力青藏高原生态屏障建设。加快推动风光水能互补开发,可以筑牢水资源、能源、生态安全底线。

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如何攻克漂浮式海上风电关键技术研发与工程示范难题?

开展深海漂浮式海上风电技术研发与样机示范项目探索,有利于我国掌握技术制高点,在深远海海上风能资源竞争中占据优势,有利于储备研发力量,为将来大规模开发深远海资源奠定基础,同时,也为“一带一路”和“走出去”战略打下基础的良好契机。

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如何制备高洁净高均质超细晶高端轴承钢材料?

高精密、高可靠性的金属基高端轴承,对国民经济和国防安全具有战略意义,代表一个国家高端制造的整体水平。高端轴承属于重要的战略物资,而轴承产业也是国家基础性、战略性产业。

我国轴承制造目前面临的主要瓶颈问题在于轴承钢材料制备水平低下,洁净度、组织控制、服役评价等远低于国外水平,关键轴承一直依赖进口,将对我国的中长期发展规划战略的实现、制造业强国战略的实施产生巨大的阻碍,也将严重影响到我国的国防、航空、航天、高速轨道交通、运输、能源、智能制造等众多领域。因此,开展高性能轴承钢母材的全新全流程制造技术研究,解决我国轴承钢材料自主可控制造的“卡脖子”问题,具有重要的现实和战略意义。

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如何发展与5G/6G融合的卫星互联网络通信技术?

与5G融合的卫星网络关键技术的研究储备,能够促进相关科学技术发展,直接推动我国航天、地面相关技术的进步,有效提高我国卫星及有效载荷的设计、试验验证、制造与地面支持系统的发展水平,提升天地一体化综合的数据处理和应用技术水平。

同时,可促进我国与国际卫星通信标准体系的有机衔接与协同发展,服务网络强国、制造强国、军民融合等重大战略。

在大国太空竞争背景下,构建高低轨协同、天地一体、与5G等地面网络融合的卫星互联网将直接关系到一个国家的产业安全和国家安全,相关技术的攻关能够打破跟随国外技术的局面,成为国际相关标准的制定者和领跑者,有利于构建自主可控网络空间国防体系。

实现我国互联网发展由“消费型”向“生产型”转变,通过构建面向天地一体化信息网络的新型网络架构,保障大规模“生产型”互联需求,将为我国实现从制造大国向制造强国迈进的战略举措提供有力支撑。

2018年以来,中国科协组织全国学会等科技共同体,面向广大科技工作者征集评选重大前沿科学问题和工程技术难题,在中国科协年会上发布,4年共评选、发布了130个问题难题。

2021年征集发布活动共征集到89个国内科技组织、73个国外组织和境外专家推荐的472个问题难题,2万余名一线科技工作者和战略科学家参与推荐和研判。

今年首次向近年来积极参与征集发布活动并作出重要贡献的学会授予重大科技问题难题征集发布优秀学会牌匾。

中国科协将推动构建重大问题难题研判品牌体系,践行科技共同体的价值使命,凝聚科技工作者共识,深化全球科技交流合作,不断研判科技发展趋势,识别关键核心技术,团结科技力量协同攻关,推动高水平科技自立自强。