南方周末发布《2023年度十大科创突破》 | 2023科创大会
2022年11月，ChatGPT发布，全球科技界一夜之间进入了人工智能的“沃野”。在2022-2023年的日日夜夜里，全球的科学研究、技术创新可不只是AICG。
从各类人形机器人的发布，到阿尔茨海默病的新药研发，从异种器官移植的探索到欧几里德空间望远镜的升空，再到核聚变点火实验……科技的力量正在不断突破学科、产业、领域的边界，展现出无限可能。
11月16日，南方周末2023科创大会在北京举办，南方周末科创力研究中心继续从“生存”“发展”“去未来”三个维度，选取在2022-2023年度发生的重大科创事件，并发布《2023年度十大科创突破》，这些科创成果的影响，不仅是改变我们的生活、工作，更在深层次上重新定义了我们对未来的认知和期待。
生存
1. 塑料回收新方式
2023年4月19日，马里兰大学胡良兵教授与普林斯顿大学琚诒光教授在《自然》（Nature）发表题为Depolymerization of plastics by means of electrified spatiotemporal heating的论文，提出一种通电时空加热（STH）方法实现塑料解聚，即利用空间和时间上的加热效应，从商品塑料（聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET））中生成单体，可防止反应接近化学平衡、防止副反应的发生，过程中无需催化剂；使用这种方法，研究人员将PP和PET解聚成相应的单体，产率分别约为36%和43%。
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05845-8
价值与影响：解决塑料垃圾问题是当今社会重点关注的问题，但现在许多商品塑料因难以控制反应进程和途径不能使用传统的热化学方法进行选择性解聚。使用STH方法为全球塑料垃圾问题提供解决方案，除了解聚塑料外还可以扩展到回收或升级各种其他合成聚合物，如用于制造织物和橡胶的聚合物等。
2. 全新原理实现海水直接电解制氢
2022年11月30日，谢和平院士与他指导的深圳大学/四川大学博士团队在《自然》（Nature）发表题为A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation的研究成果，团队通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应结合，开创了海水原位直接电解制氢全新原理与技术；自主研制的386 L/h H2原理样机在真实海水中稳定制氢超过3200小时，法拉第效率近乎100%，电解能耗约5.0 kWh/Nm3 H2，隔绝海水离子的同时实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的高效海水原位直接电解制氢技术突破。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05379-5
价值与影响：该研究成果实现无额外能耗的电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定海水直接电解制氢，为解决该领域长期困扰科技界和产业界的技术难题奠定了基础，将打开低成本燃料生产的大门，有望推动变革走向更可持续的世界。
海水直接电解制氢。图片来源：Nature
3. 可基因编程微生物的活体水凝胶纤维
2023年7月27日，上海科技大学物质学院凌盛杰、李健、刘一凡课题组开展跨学科交叉合作，在《先进材料》（Advanced Materials）发表论文，Embedding Living Cells with a Mechanically Reinforced and Functionally Programmable Hydrogel Fiber Platform，团队设计了一种活体水凝胶纤维（Living Hydrogel Fibers, LHFs）系统，将基因编程后的微生物装载于多层腔室化水凝胶纤维中。该平台具有良好的生物相容性，可容纳细胞在其中长期存活、生长和行使其功能；LHFs致密的壳层结构可以阻断装载的微生物向外界泄漏以造成环境影响，同时通过机械训练也兼顾了优异的机械性能。
https://www.shanghaitech.edu.cn/2023/0831/c1006a1080210/page.htm
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305583
价值与影响：工程化活体材料（ELMs）通过将基因编程的生命体（例如细菌、真菌等）融入材料设计本身，赋予材料许多类似生命体的功能，如生长与修复、动态响应、交流与传感等；ELMs现已扩展到各种可持续应用，包括绿色能源的生物生产、污染物的生物修复、生物砖的制作以及作为医疗材料用于检测和治疗慢性疾病等。该研究解决了目前ELMs面临的主要挑战之一，即材料的结构设计和机械性能如何与装载的活体细胞的生长和持续的功能执行相匹配。
活体水凝胶纤维（LHFs）平台的设计。图片来源：上海科技大学官网
发展
4. 电刺激助脊髓损伤患者恢复行走
2022年11月9日，《自然》（Nature）刊发洛桑联邦理工学院、洛桑大学等研究团队的临床研究成果The neurons that restore walking after paralysis，通过硬膜外电刺激（EES，使用导线通过手术植入腰椎脊髓硬膜外表面）帮助9名因脊髓损伤引起的严重或完全瘫痪的患者，成功恢复行走能力，并明确了脊髓神经重塑过程中发挥关键作用的神经元类型。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05385-7
价值与影响：脊髓损伤是一种严重的致残性损伤，往往造成不同程度的截瘫或四肢瘫痪。该研究增进了我们对瘫痪后如何恢复移动能力的认识，是脊髓损伤治疗的一个根本性临床突破。
EES康复重塑人类和小鼠的脊髓。图片来源：Nature
5. 恢复表观基因组的完整性可逆转衰老
2023年1月12日，哈佛大学教授、衰老研究科学家大卫·辛克莱（David Sinclair）和7位合作者联合在《细胞》（Cell）发表论文Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging，通过一系列实验证实DNA变化不是衰老的唯一原因，甚至不是主要原因，而染色质（组成染色体的DNA和蛋白质复合物）的化学和结构变化，在不改变遗传基因序列（即表观遗传变化）的情况下加速衰老。该研究证明，表观遗传变化是导致哺乳动物衰老的主要原因，而恢复表观基因组的完整性可以逆转衰老的迹象。
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01570-7
价值与影响：过去几十年的科学研究发现认为，衰老源于DNA变化的积累，而这项研究发现了表观遗传变化这一新因素。这意味着，癌症、糖尿病、阿尔茨海默病这些年龄相关疾病可能有相同的潜在病因，可以通过单一治疗逆转，从而治疗或治愈与年龄有关的疾病。
恢复表观基因组的完整性可逆转衰老。图片来源：cell
6. 可折叠硅片的柔性太阳能电池
2023年5月24日，中国科学院上海微系统所刘文柱等在《自然》发表论文Flexible solar cells based on foldable silicon wafers with blunted edges，团队开发出一种单晶硅太阳电池边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字形沟槽处理成平滑的“U”字形沟槽，显著提升硅片的“柔韧性”：60微米厚度的单晶硅太阳能电池可折叠、可重复弯曲，弯曲角度超过360度；并在量产线验证了批量生产的可行性。
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05921-z
价值与影响：该成果将单晶硅这种脆性材料做得可以像A4纸那样折起来，同时工业尺寸单晶硅太阳电池效率达到24.5%。这种高效、轻质、大面积、低成本柔性太阳电池未来可以满足可穿戴电子、移动通信、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等众多领域的需求。
可折叠硅片的柔性太阳能电池。图片来源：Nature,Volume 617 Issue 7962
7. 使用草酸回收汽车废电池方案
2023年10月17日，瑞典查尔姆斯理工大学研究人员提出了一种从电动汽车废电池中回收金属的新方法，使用草酸作为选择性浸出和沉淀剂，可回收电池中100%的铝和98%的锂，同时，相比传统的液体回收方法，镍钴锰等宝贵原材料的损失也降到了最低。该研究成果2023年9月1日以Complete and selective recovery of lithium from EV lithium-ion batteries: Modeling and optimization using oxalic acid as a leaching agent为题发表在期刊《分离与纯化技术》（Separation and Purification Technology）。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586623010511?via%3Dihub
价值与影响：随着电动汽车逐渐普及，废旧动力电池的回收利用问题日益紧迫，该研究使用了一种可以在植物界找到的有机酸草酸，回收方法可以按比例放大，未来几年内有望在工业领域得到应用。
汽车废电池回收方案。图片来源：Chalmers University of Technology
去未来
8. 核聚变产出大于投入的“净能量增益”
2022年12月5日，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的“国家点火装置”（NIF）首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”——使用192束强大的激光束击中了只有胡椒大小的氢同位素的固体目标。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。2023年8月6日，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室再次完成核聚变点火实验，并实现净能量增益突破。
https://www.llnl.gov/article/49306/lawrence-livermore-national-laboratory-achieves-fusion-ignition
价值与影响：大约在一个世纪前，科学家开始接触并了解到核聚变为太阳提供能量，在地球上复制核聚变作为能源的想法理论上可以满足地球未来的所有能源需求。点燃核聚变的突破是一个重要里程碑，该成果跨越了聚变点火阈值，历史性地实现了净能量增益（G>1.5），同时实验的成功也证实了惯性聚变能源的科学基础。
NIF的激光能量被转化为 hohlraum 内部的 X 射线，然后压缩燃料舱直到它内爆，产生高温高压等离子体。图片来源：LLNL
9. 在猪体内成功产生人源肾脏
2023年9月7日，Cell Stem Cell期刊的封面刊发中国科学院广州生物医学与健康研究院的成果文章Generation of a humanized mesonephros in pigs from induced pluripotent stem cells via embryo complementation，研究人员利用具有高分化潜能、强竞争及抗凋亡能力的新型人诱导多能干细胞（iPSCs），结合优化的胚胎补偿技术体系，成功制造出包含人细胞和猪细胞的嵌合胚胎，将其移植到代孕母猪体内28天后，发育中的人源肾脏结构和肾小管形成正常。
https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.08.003
价值与影响：科学家首次实现人源功能性实质器官的异种体内再生。这项技术有望用于研究人体器官的发育和发育性疾病，以及人体器官移植。研究人员正在探索如何从头开始设计复杂组织，目前处于早期阶段。其中包括3D打印、从干细胞中培养出的泛用“类器官”。无论是在动物体内生长，还是在制造工厂内培育，可以无限供应的人造器官都会使移植变得更加普遍，让更多的人获得替代品。
在猪体内成功产生人源肾脏。图片来源：Cell Stem Cell
10. “九章三号”光量子计算原型机
2023年10月11日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，在期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表论文，研究团队设计了时空解复用的光子探测新方法，构建了高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子操纵水平和量子计算复杂度，宣布成功构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/84845.htm
https://journals.aps.org/prl/issues/131/15
价值与影响：量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，也是各国科研团队竞相追逐的科技前沿，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍，“九章三号”1微秒可算出的最复杂样本，当前全球最快的超级计算机“前沿”（Frontier）约需200亿年。
九章三号的计算复杂度需要花费超级计算机的时间。图片来源：中国科学技术大学官网
科创浪潮，仍汹涌澎湃。我们身处其中，感受着科创带来的震撼和激动。
我们梳理这一年的进步，是为捕捉些许的科创脉搏；盘点这一年的亮点，也为站得更高、看得更远。
