01

在微观世界，物理、化学、生物、材料等领域不再有清晰的界限，其本质都是源于电子、原子、分子等构成物质微观粒子的相互作用与运动规律，特征空间和时间尺度分别为超小的皮米至纳米和超快的阿秒至飞秒量级。微观粒子作为精密测量和新量子技术革命的重要载体和平台，在本征时间和空间尺度对其结构和动力学的研究具有重要科学意义。正因为此，2023年诺贝尔物理学奖授予了皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）、安妮·卢利尔（Anne L’Huillier）三位科学家，以表彰他们开发了能够产生阿秒光脉冲的实验方法，促进了物质中电子动力学的研究。然而，受到光脉冲衍射极限的限制，阿秒光谱技术的空间分辨能力无法突破纳米量级，仍然无法完全实现对这些微观粒子特别是电子的直接时空观测，严重阻碍了基础科学研究和重大应用领域的发展。目前，最具前景的兼具超高时间与空间分辨的探测技术为超快电子显微技术，但该技术受到电子间的库伦排斥作用、光发射电子的固有能量弥散以及系统稳定性等因素的限制，一直难以突破百飞秒－纳米级时-空分辨瓶颈。如若攻克上述制约因素，有望实现在原子、电子本征时空尺度上的微观动力学实时、实空间观测，进而推动我国基础物理、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跨越式发展，为我国基础研究的原始创新突破提供有效支撑。

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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。

目前，我国在高纯稀土制备方面与国外还存在较大差距。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。

03

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。其突破将根本性破解高比例新能源发展与消纳的关键难题，是我国新型能源体系构建的重要组成部分，战略意义重大。

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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质高效舒适的大趋势，围绕大田作物绿色丰产优质高效目标，以大田作物栽培无人化作业技术为核心，配套控混肥一次性施用技术、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，破解未来粮食“怎么种、靠谁种”的“卡脖子”技术问题，推动粮食生产由机械化向无人化跨越。

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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的瓶颈。降低燃料电池成本的关键是大幅降低电极中铂基催化剂的用量，然而催化剂载量的不断降低会牺牲燃料电池的性能与寿命。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、质子膜、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的制造成本，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。

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艰险山区国家重大铁路超高宽幅站场路基长期风险评估与性能保持是关系到工程安全建设与运维的技术难题。超高宽幅站场路基功能分区多，在构造活动、高原隆升、气候变化和工程扰动等剧烈内外动力耦合作用下，长期稳定与空间变形演化十分复杂。亟须凝聚优势科研力量开展协同攻关，构建超高宽幅站场路基长期风险评估与性能保持的理论与技术体系，阐明艰险山区多灾种综合风险内涵与形成机制，量化区域多灾种危险性、承灾体脆弱性和恢复力，实现多灾种、全要素、多层级的超高宽幅站场路基综合风险动态模拟，突破多灾种、多尺度、多物理场的超高宽幅站场路基长期风险评估技术瓶颈，创新多灾种、全过程、分阶段的超高宽幅站场路基韧性提升与性能保持技术，助力川藏铁路、滇藏铁路等艰险山区国家重大铁路工程高起点高标准高质量建设，贯彻落实“交通强国”战略。

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“十四五”规划针对国家战略性新兴产业体系构筑明确指出加快发展新能源产业、深入推进资源循环利用。新能源产业发展的主要关键资源对外依存度高。因此，新能源废料等二次资源对资源供给安全意义重大。此外，新能源废料易造成严重的环境和安全风险，亟待推进新能源废料的清洁高值化利用。典型新能源废料处理过程依赖传统冶矿原理，以高价值金属回收为目标，存在金属流失严重、流程复杂、回收产品功能降级、伴生元素利用率低，以及二次污染严重等问题。针对新能源废料宏观组成非均匀、复杂，组元均匀、高纯，组元间结合方式多样，以及含有多种毒性物质的典型特征，亟须发展宏观多样、介观高纯、微观复杂的新能源废料短流程、高值化、清洁利用理论和方法。其突破将有利于减少相关资源的进口依赖，防范原材料供给风险，对保障国家资源安全和改善生态环境具有重要战略意义。

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载人火星探测是一项艰巨的任务，以往的研究方案多以低速度增量需求的长期火表停留任务为主，增加了航天员在轨长期驻留的风险挑战，因此开发快速往返技术是安全实现载人火星探测任务的最基本要求。采用先进推进技术，降低发射重量，提高推进效率是快速往返的必然选择，但目前工程实施难度大。需通过顶层设计规划，选择合适出发窗口，进行轨道设计与优化，决策推进技术途径，攻关关键技术，开展在轨演示验证，提高载人火星飞行器快速往返能力。逐步突破人类进入近地空间、地月空间、深空等的频率并缩短航行时间，对建立航班化载人航天运输系统，高效开发和探索宇宙具有重要意义。

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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的技术瓶颈。

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。

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。