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        基礎研究:激發創新不竭動力

           2022-09-13 821
        核心提示:在珠峰登山大本營,科研人員放飛無線電探空氣球。新華社記者 姜帆攝  十年來,我國科技投入大幅提高,全社會研發經費從1.03萬


        在珠峰登山大本營,科研人員放飛無線電探空氣球。新華社記者 姜帆攝

          十年來,我國科技投入大幅提高,全社會研發經費從1.03萬億元增長到2.79萬億元,居世界第二位;研發強度從1.91%提高到2.44%;基礎研究經費增至十年前的3.4倍,達歷史最高值。

          其中,“十三五”期間,中央財政對基礎研究經費的投入增長了1倍,還首次建設了13個應用數學中心,在物質科學、量子科學、納米科學、生命科學等方面取得了一批重大原創成果。

          破解凝聚態物理領域重大難題

          量子霍爾效應在凝聚態物理的研究中有著極其重要的地位。但是,在量子霍爾效應家族里,有一個神秘的家族成員——量子反?;魻栃?,即不需要外加磁場的量子霍爾效應,卻遲遲沒有被人發現。

          2014年4月10日,清華大學和中國科學院物理研究所在北京聯合宣布:由雙方聯合組成的實驗團隊在量子反?;魻栃芯恐腥〉弥卮笸黄?,在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中,首次觀測到量子反?;魻栃?。

          領銜該實驗的中國科學院院士、時任清華大學副校長薛其坤說:“物理學家認為,量子霍爾效應家族中也應該存在量子反?;魻栃?。但如何使其現身并在實驗中觀測到它,成為近些年凝聚態物理學家探索的難題之一。”

          2006年,美國斯坦福大學以及清華大學教授張首晟領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應,并于2008年提出了在拓撲絕緣體中引入磁性實現量子反?;魻栃目赡苄?。2010年,中國科學院物理研究所研究員方忠、戴希等人與張首晟合作,在理論與材料設計上取得突破,并提出一種磁性離子摻雜的拓撲絕緣體中存在著特殊的鐵磁交換機制,能形成穩定的鐵磁絕緣體,是實現量子反?;魻栃淖罴洋w系。

          薛其坤說,要在實驗中實現反?;魻栃牧孔踊?,需要拓撲絕緣體材料同時滿足三項非??量痰臈l件:材料的能帶結構必須具有拓撲特性,從而具有導電的一維邊緣態;材料必須具有長程鐵磁序,從而存在反?;魻栃?;材料的體內必須為絕緣態,從而對導電沒有任何貢獻。在實際材料中,實現以上任何一點都具有相當大的難度,而要同時滿足這三點,對實驗物理學家來講更是一個巨大的挑戰。

          清華大學和中國科學院物理研究所的研究人員,從2009年開始向量子反?;魻栃獙嶒灠l起沖擊。此后4年時間里,團隊生長和測量了超過1000個樣品,一步步實現了對磁性摻雜拓撲絕緣體高質量薄膜的生長、表面電子態的觀測,特別是對其電子結構、磁有序態和能帶拓撲結構的精密調控,終于在2012年10月觀測到了量子反?;魻栃?。

          諾貝爾獎獲得者楊振寧表示,這篇關于發現量子反?;魻栃恼撐?,是從中國實驗室做出的、具有諾貝爾獎級的物理學論文。

          八千米以上完成科考“巔峰使命”

          2017年8月19日,第二次青藏高原綜合科學考察研究(以下簡稱第二次青藏科考)在拉薩啟動。第二次青藏科考聚焦水、生態、人類活動,著力解決青藏高原資源環境承載力、災害風險、綠色發展途徑等方面的問題。

          “青藏高原綜合科考,第一次主要是‘摸家底’,第二次則要‘看變化’。”第二次青藏科考隊隊長、中國科學院院士姚檀棟說,我們要努力取得重大科研突破,為青藏高原經濟社會發展和生態環境保護提供決策依據。

          2022年5月4日,13名科考隊員登頂珠穆朗瑪峰,完成“巔峰使命—2022”珠峰聯合科考,填補珠峰海拔8000米以上研究空白,這在青藏高原科學考察研究歷史上具有劃時代意義。至此,已經持續5年的第二次青藏科考,在科研的標尺上劃出嶄新刻度。

          “‘巔峰使命—2022’珠峰聯合科考實現了從登山科考到科考登山的登山模式轉變,實現了從‘我要征服你’到‘我要了解你’的登山思路轉變。”姚檀棟說,此次珠峰科考還實現了如直升機、無人機、浮空艇、3D激光掃描儀等新技術和新手段的應用,取得了重要的國際影響。

          總體而言,5年來,第二次青藏科考瞄準國際前沿和國家戰略,開展跨學科、跨領域、跨區域的協同攻關,聚焦重點區域,拓展科學研究和野外考察的廣度和深度,填補了重要區域戰略空白,摸清了青藏高原本底情況。

          找到打開催化“黑匣子”的鑰匙

          加速或減緩化學反應速率、減少化學反應“副產品”、降低能源消耗……這些“神奇”作用,使催化成為化工生產中的關鍵一環。通過催化來精準調控化學反應過程,是科學家長期以來追求的目標。

          然而在學術界,很多催化反應的機理至今尚不明晰,長期以來被視為“黑匣子”。解密這個“黑匣子”,才能創制出更加高效的催化劑,讓化學反應更加節能環保、更加精準高效。而“納米限域催化”有望成為解密“黑匣子”的一把鑰匙。

          20世紀90年代,中國科學院院士包信和從德國馬普研究所回到中國科學院大連化學物理研究所,帶領團隊從事納米催化的基礎和應用研究,追求對催化過程的準確理解和對催化劑的理性設計。

          包信和團隊先是發現了碳納米管獨特的限域特性——碳納米管內銠錳催化劑催化合成氣轉化為乙醇等碳二含氧化合物的活性比管外更佳。從現象挖掘本質,團隊發現,除碳納米管外,金屬—氧化物界面也能穩定配位不飽和的活性中心。這是一種廣義的限域,調控的是一種電子狀態,讓催化劑始終保持“吃不飽”的狀態,讓催化反應能夠循環往復持續進行下去,這被稱作納米界面限域。

          包信和團隊基于納米限域催化概念,實踐應用于煤經合成氣直接轉化催化劑的設計,實現了高選擇性一步反應獲得低碳烯烴。

          “費托合成”過程在煤化工領域有重要地位。這一反應要用大量的水去制取更多氫氣,同時該反應還會產生廢水。包信和團隊另辟蹊徑,利用納米界面限域概念,穩定氧化物催化劑表面配位不飽和的氧缺陷活性中心,提高合成氣中一氧化碳解離和加氫形成中間體的活性;再利用納米孔道限域作用,調變中間體小分子在分子篩中偶聯的選擇性,從而對目標產物的選擇性進行精準調控。

          這種催化,實現了高活性和高選擇性的雙贏?;谛赂拍畹霓D化路徑,可以實現低耗水進行煤轉化,為我國的能源革命提供了有力支撐。

          基于該項創新成果,研究團隊與中國工程院院士劉中民團隊及陜西延長石油(集團)有限責任公司合作,建成世界首套千噸級規模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業試驗裝置,并于2020年成功完成全流程工業試驗,驗證了技術的可行性和先進性。

          首次在實驗室實現人工合成淀粉

          2021年9月24日,《科學》在線發表了中國科學院天津工業生物技術研究所的科研人員在淀粉人工合成方面取得的重大突破性成果——國際上首次在實驗室實現了二氧化碳到淀粉的人工從頭全合成,這屬于基礎研究領域的重大突破。

          據悉,該所研究人員提出了一種顛覆性的淀粉制備方法,不依賴植物光合作用,以二氧化碳、電解產生的氫氣為原料,成功生產出淀粉,使淀粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。

          目前,淀粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進行合成。在玉米等農作物中,將二氧化碳轉變為淀粉涉及約60步的代謝反應和復雜的生理調控,太陽能的理論利用效率不超過2%。農作物的種植通常需要數月的周期,且需要大量的土地、淡水、肥料等資源。

          正如上述論文通訊作者、中國科學院天津工業生物技術研究所所長馬延和所說,長期以來,科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程,希望提高二氧化碳的轉化速率和光能的利用效率,最終提升淀粉的生產效率。

          為解決這一難題,中國科學院天津工業生物技術研究所研究人員從頭設計了11步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑,在實驗室中首次實現了從二氧化碳到淀粉分子的全合成。

          這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,為創建新功能的生物系統提供了新的科學基礎。

          在充足能量供給的條件下,按照目前的技術參數推算,理論上1立方米大小的生物反應器年產淀粉量相當于我國5畝土地玉米種植的平均年產量。這一成果為二氧化碳原料合成復雜分子開辟了新的技術路線。

          兩系法開啟雜交水稻新紀元

          如果說三系法雜交水稻為中國開啟了自己養活自己的時代,那么兩系法雜交水稻則為中國開啟了更高產、更優質、更高效的雜交水稻新紀元,確保了我國雜交水稻技術的領先地位,并推動了世界雜交水稻的快速發展,對遺傳育種學科發展作出巨大貢獻。

          2014年1月10日,由中國工程院院士袁隆平領銜攻關的“兩系法雜交水稻技術研究與應用”項目獲得了國家科技進步獎特等獎。

          從三系法到兩系法,僅一字之別,卻帶來了雜交水稻技術的飛躍。

          湖南雜交水稻研究中心牽頭并組織全國多單位、多學科針對三系法存在的配組不自由等問題,利用水稻光溫敏核不育新材料,經過20多年的協作攻關,圍繞光溫敏核不育系育性轉換機理、實用光溫敏核不育系創制、兩系雜交稻組合選育技術、安全高效繁殖制種技術等進行深入研究,創立了實用光溫敏核不育系選育理念、鑒定技術、核心種子與原種生產技術;建立了不育系高產穩產繁殖、安全高產制種技術體系;解決了雜交水稻高產與優質、早熟難協調的技術難題,突破兩系雜交粳稻育種與種子生產技術瓶頸;育成了兩用不育系170個、配制了兩系雜交水稻組合528個,并實現了大面積推廣應用;形成了比較完整的兩系法雜交水稻理論體系,解決了三系雜交稻的主要限制因素,使水稻雜種優勢利用進入一個新階段,帶動和促進了我國油菜、高粱、棉花、玉米、小麥等作物兩系法雜種優勢利用的研究與應用,為現代作物遺傳育種學科的發展作出了重大貢獻。

          通過技術轉讓與合作,兩系法雜交水稻技術已在美國推廣應用,并較當地主栽品種增產20%以上。兩系法雜交水稻為我國種業開拓國際市場,參與國際種業科技競爭提供了核心技術支撐。

         
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