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  “做基础研究有什么用?”  “没什么用。”  在全国政协委员、中国科学院高能物理研究所研究员张新民的印象中,面对这个提问,很多做基础研究的科学家都会这样回答。因此,他时常问自己:“做基础研究真的没用吗?”  2020年3月3日,科技部、发展改革委、教育部、中科院、自然科学基金委5部门联合制定了《加强“从0到1”基础研究工作方案》,推动解决我国基础研究缺少“从0到1”原创性成果的问题。  看到这个消息,张新民很高兴:“我国现在讨论这个是对的,基础研究能发现自然界的规律,从而服务社会发展,即便现在一些基础研究成果看起来很难用于现实,但不等于说我们的子孙后代永远都找不到应用的方法。”  人们已经对基础研究和原始创新的重要性达成共识,并认识到,基础研究、应用基础研究好比科技创新的“深蹲助跑”,蹲得深爆发力才强,助跑快才能跳得更远。  “从0到1”不是“无中生有”  从2019年到2020年,新冠肺炎疫情等事件,让我国原始创新中存在的一些问题更加凸显。  “‘从0到1’不等于‘无中生有’。”在全国政协委员、中国科学院微生物研究所研究员黄力看来,原始创新和科学积累是分不开的,积累到一定程度,就会产生一些新想法、新突破,而我国在科学积累方面需要补课。  回顾此次新冠肺炎疫情,黄力感慨:“17年前的非典疫情,让我们深受其害,但17年后,我们发现相关研究并没有长期地坚持和积累下来,因为疫情过后,相关研究就不是热点了,大家就‘离开’了。”  黄力认为,在不断变化的外界形势中,科学家时常感觉自己做的工作不是热点,不是国家需求,自己的工作好像被边缘化了,而这种情况对于基础研究的发展是致命的。他建议,国家鼓励开展系统性研究,为原始创新做好铺垫和积累,同时还要形成鼓励和包容的科研氛围,让科技工作者可以坐得住“冷板凳”,不去跟风蹭热点。  稳定支持基础研究  这些年,作为理论物理学家的张新民还有一个身份——“阿里原初引力波探测实验”项目首席科学家。这让他体会到了基础研究的另一番“苦”:“理论物理研究大多靠‘单打独斗’,研究者要能‘耐得住寂寞’,而实验物理研究大多是团队作战,虽然‘热闹’些,但经费难题比前者更突出。”  大科学装置是基础研究的利器。有人统计发现,诺贝尔物理学奖中,大科学项目的比例越来越高。但遗憾的是,在我国,大科学项目建成后,“好马配不上好鞍”的情况并不少见。  “不管是单打独斗,还是团队作战,要做好工作,持续的经费支持至关重要。”张新民说,这些年国家制定了对基础研究的支持政策,但是缺少对大科学装置持续支持的政策,“这可能导致大科学装置出现开建一半停工,或建成了没有运行费等问题”。  继续完善科研评价机制  评价机制一直被视为科研风向标,完善基础研究评价机制也是基础研究领域代表委员关注的重点。  张新民所在的研究领域是“物理宇宙学”,属于物理学和宇宙学、天文学交叉的学科。  让他欣喜的是,在国际上物理宇宙学近些年获得了重大进展,去年的诺贝尔物理学奖就授予了理论研究的先驱詹姆斯·皮布尔斯教授。在我国,理论和实验研究也有很大进展,如阿里原初引力波探测望远镜将对原初引力波进行探测以认识宇宙起源,中国空间站将有一个共轨飞行的光学舱对暗能量暗物质等重大科学问题开展观测研究。  近年来,张新民一直感觉做交叉学科就像坐在两个凳子中间。“当评奖、评职称时,部门利益占据了上风,两个凳子一撤,在中间坐的人就掉下去了。”他感慨。  完善科研评价机制也是黄力关注的问题。这些年,围绕评价机制的建议不少,有人说要定量评议,有人说要定性评议。但黄力认为,应该坚持分类考核、同行评价的原则,建立“基于客观数据的主观评价”机制。  “科研评价最终要落在同行的定性评价上。基于客观数据的主观评价是由被评价单位或个人拿出体现学术影响力和科学贡献的数据或证据,如论文、引用率、特邀报告、特邀综述、国际刊物任职、研究项目、获奖等,让同行做判断。”黄力说。  基础研究的春天来了  几乎每年两会,科技领域的代表委员都会谈及基础研究的相关话题,并提出完善基础研究政策的意见建议。  这两年,我国的科技创新内外部环境都发生了变化,对我国开展“从0到1”的原始创新提出了现实要求。国家也向科技界提出“打造原始创新策源地,突破关键核心技术”的要求。这些都让代表委员看到了国家在推动基础研究、促进原始创新方面的努力和进步。  “去年两会后,从基础研究管理部门的机构设置,到各类管理政策,再到具体项目的布局,基础科学都得到了前所未有的重视。”全国人大代表、中科院院士方复全说。  前不久,科技部正式公布了首批国家应用数学中心名单,共有13个中心获批。长期从事数学研究的方复全参与了国家应用数学中心建设的早期规划工作,在做这项工作的过程中,不少和他一样的数学工作者曾向他感慨“数学的春天来了”。  “国家和社会对基础研究的重视,对于广大科技工作者,尤其是像我们这些从事基础研究的科技工作者来说,是恰逢其时。我相信,经过若干年的积累,中国在基础科学方面一定会有非常显著的进步。”方复全说。  (原载于《中国科学报》2020-05-22第4版两会)

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  量子散射共振的研究是物理与化学学科的前沿交叉方向,从化学学科出发被称为分子反应动力学。中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所杨学明研究团队一直在该领域深耕并有重要贡献,曾在《科学》《自然》等刊物发表论文300余篇。  5月8日,杨学明和南方科技大学杨天罡应邀在《科学》发表评述文章,讨论趋近绝对零度的原子与分子碰撞过程中量子散射共振研究的进展。  给化学反应过程“拍照”  “原子分子体系是一个量子体系,当原子分子体系碰撞时,大气或星际中有各种各样的气相碰撞过程,尤其到了极低温时,它的量子现象就会越来越明显,因此在低温下研究碰撞是了解原子分子碰撞体系量子本质的重要方法。”杨学明告诉《中国科学报》。  基于此,极低温时碰撞体系量子现象的研究一直是分子反应动力学领域的研究热点。  原子与分子的碰撞传能以及化学反应过程受量子力学的规则控制。量子效应在低温下会更加明显,对原子与分子碰撞动力学的影响更加显著。但由于碰撞过程时间很短,实验观测碰撞过程中量子共振的挑战非常大。  量子散射共振的研究是分子反应动力学的前沿方向,它利用物理原理和方法研究化学反应过程或碰撞传能过程。  “由于化学反应速度很快,我们希望通过物理方法,把反应过程拍下来,相当于给化学反应过程‘拍照’。”杨天罡说。但是化学反应最重要的过渡态是飞秒时间量级,相机很难以这么快的速度把化学反应过程拍下来。目前,该领域科学家通常利用高精度分子束散射的方法来研究这些体系的反应概率,通过动力学随反应能量的变化来观测碰撞散射共振现象。  为什么要做接近于绝对零度的实验研究?因为在高温下原子与分子碰撞体系中量子效应会被平均掉,但在极低温时,量子效应更容易保存下来,也能更容易在实验上被探测到。低温下研究碰撞过程可以使我们更加深入地理解原子分子碰撞过程的量子本质以及相关的气相化学体系,如大气过程、星际化学等。  缘起与展望  杨学明团队在过去很长一段时间内一直在从事基元化学反应体系中共振现象的研究,并取得一系列的重要研究成果,在国际上引领了这一方向的发展,对这一领域的发展趋势也有比较全面的了解。  这是杨学明和杨天罡受邀评述荷兰科学家在极低温下碰撞传能中量子共振现象成果的缘由。这项工作研究了一氧化氮加氦碰撞过程中的传能动力学,发现了这一体系中在趋近绝对零度时的量子散射共振现象,并对这一现象开展了理论研究。  杨学明表示,这对深刻理解原子分子碰撞传能过程中量子现象的研究具有重要意义。实际上共振现象在很多化学反应里面也存在。杨学明团队对很多不同基元反应体系中的共振现象开展过深入系统的研究工作。  据杨学明介绍,评述中介绍的氟加氢气反应的研究是团队去年发表于《自然化学》杂志的一项研究工作。氟加氢气反应在星际化学中有重要意义,这一工作给出了一个经典模型无法解释的低温下反应仍可发生的机理。“文中提到的氟加氢反应有很高的反应势垒,在极低温时应该不会发生化学反应。但是因为这一体系在势垒后存在一个能量很低的量子共振态,由此诱导了量子隧穿效应,使得这一反应在趋近绝对零度下还有化学反应发生。这是化学反应中一种非常奇特的现象,对于理解低温下的化学过程有非常重要的意义。”杨学明说。  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abb8020  (原载于《中国科学报》2020-05-12第01版)

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  近40年来,中国的城镇化经历了世界历史上规模最大、速度最快的进程,城镇化率由1978年的17.9%提高到了2019年的59.58%。在这一过程中,多样化的城镇化解决方案被提出。  就在今年,中国科学院软件研究所(以下简称软件所)参与的中英合作项目“将服务设计和大数据技术转化为可持续城市化”获得2019“牛顿奖”中国奖。该合作项目研究的初衷就是基于数字技术为解决可持续发展问题提供人力与智力资源的支持。  据悉,牛顿奖旨在通过英国科学与创新伙伴关系帮助解决全球发展难题,奖励推动经济发展和社会福利的最佳研究或创新。这是“牛顿奖”2017年设立以来首次颁给中方科研机构参与的项目。  应对城镇化挑战  虽然近年来中国的城镇化取得瞩目成就,“但同时,在清洁能源和水资源利用方面面临重大挑战。公共资源配置不合理等问题依然突出,城市居民的公共服务和社会管理也不完善,急需出台方案帮助这些城市民居更好地适应和融入新环境。”软件所研究员马翠霞告诉《中国科学报》。  此外,国内城镇化发展总是追求一致,而缺少个性化的设计。在项目顾问、软件所研究员王宏安看来,随着5G时代的到来,传感器覆盖越来越广,人们的线上活动越来越多,可通过数字技术挖掘、分析人们真实的想法和需求,支持管理者为他们提供个性化服务,从而真正优化政府资源的合理配置。  针对中国城镇化进程中城市可持续发展带来的一系列挑战,在牛顿基金的支持下,中英双方整合了一支40多人的交叉学科研究团队,结合大数据和机器学习,特别是针对视频大数据进行自然交互技术设计与可视化展示,在交通安全或工业安全服务、城镇或社区服务推荐模式等的全方位的改进,提出有利于城市或社区可持续发展的指导方针。  “我们希望看到一个城镇生态环境可持续发展的未来,为城镇化进程中的相关群体,特别是一些弱势群体,如老人、小孩、残疾人等,提供个性化服务。”项目中方负责人马翠霞表示,这是团队共同的目标。  创新数字技术  在这个项目中,针对城镇可持续发展面临的海量生态数据挖掘分析方面的挑战,软件所团队突破了城镇生态视频大数据的时空和可视交互技术限制,创新了一种基于螺旋结构的视频摘要生成方法。  现下,视频监控系统作为维护公共安全的“数据探针”,被越来越多地应用到城市的各个角落,如何在海量内容中迅速识别并保留关键信息成为有效监控的重点之一。  王宏安介绍,这种面向视频内容的螺旋摘要生成方法,首先是对视频进行镜头分割、镜头筛选、关键帧提取以及感兴趣区域提取等预处理操作,以得到关键帧的感兴趣区域,之后利用螺旋摘要布局算法将这些图像排列在螺旋几何结构上,再对关键帧进行显示区域处理以得到可以有效呈现视频内容的螺旋摘要表示新形式。  “利用螺旋方式表示视频内容的优势在于,有利于视频内容展示的连续性,保持视频流的线性时间性,可以大大提高用户理解视频内容以及定位视频的效率。”王宏安表示。  目前,这项技术已被用于许多城镇的公共服务领域,比如公共交通、各类服务窗口的视频监控以及区域防闯入预警。除此之外,还包括工业过程如能源管道的安全监控等。  在分析这些视频信息的过程中,研究团队还用到了“情感计算”的技术。这是一种能感知、识别和理解人的情感,并能针对人的情感作出智能反馈的计算机系统。通过对服务对象情绪的变化进行分析,系统就可以判断人们的状态、立场和想法。  王宏安说,人类的情感是连续可转变的,类似于调色板,情感计算最重要的就是情感的理解和情感变化的实时跟踪。这种方法可以让计算机拥有理解人们意图的能力,甚至挖掘人们的隐藏需求。这项技术目前正在被用于犯罪分析的领域,例如对传销、金融欺诈等行为的识别、分析。  服务智慧化设计  如果说,大数据、机器学习技术提供的是城镇化服务必备的硬条件,能不能实现真正满足人们需求的优质服务,还需要依靠一种软条件——服务设计。  英方负责人、英国诺森比亚大学教授秦圣峰说,服务设计本质上是一个系统,包括服务过程、方法、步骤、商业模式等内容,来满足服务的供给方和服务的需求方,成为他们之间的一个接口。  服务设计必须以人为中心,它与人的体验息息相关。这也意味着服务设计的过程中需要大量用户参与,另外还需要积累足够的历史数据。在分析城镇一体化发展面临的困难时,中英团队首先想到了老龄化现象。研究团队希望借助大数据,并通过服务设计帮助老人解决养老难问题。  为此,秦圣峰提出了基于众包的创新平台设计开发方案。通过这一众包平台,邀请大量老年用户参与,在与他们互动的过程中,挖掘他们对于养老、医疗等服务的需求;什么时候、需要多少的服务量和服务供给;服务的难点、痛点是什么……  “我们有一个设计理念,叫做‘社会群体智能’,就是从群众中来到群众中去。根据需求分析设计方案,再将方案反馈给他们,进一步评价、调整,这对服务设计是个很大的促进。”秦圣峰说。  公共交通是城镇一体化建设的先决条件,但是,城镇间公交资源的合理分配仍是较为薄弱的一环。怎样提升公共交通服务质量、提高出行者选择公交作为交通方式的比例,是团队关心的问题。  秦圣峰说,公交车辆调度是公交运营管理中的核心业务,而现在的公交调度模式缺乏满足动态需求的灵活性。于是,合作团队在四川成都提出了一种基于城市智能公交调度系统的设计方案。研究人员一方面利用公交刷卡乘客的统计数据对线路客流特点进行分析,对线路客流进行预测,并通过车辆实时信息的获取及断面客流量预测进行分析,建立运营成本和候车成本最小的线路车辆发车间隔模型。另一方面,利用智能公交调度系统搜集的实时信息数据来判断各类异常事件,实现动态调度。  随着智能化的升级,中英团队还瞄准高度集成的智慧系统,即面向城镇生态可持续发展的智慧建筑集成优化设计。  “简单说,这个系统可以把建筑物的各个物理组成部分,比如灯光、幕墙,还有水电气风这些能源,以及人的生活习性,有机整合到一起。根据它们产生的大数据,结合安全、健康与节能减排的目标,提出建筑优化方案。”王宏安解释,这套系统的技术挑战,来自建筑环境的实时感知与协调优化控制。从目前的应用情况来看,这套智慧系统能大大提高建筑能效。  (原载于《中国科学报》2020-04-30第3版信息技术)

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  4月的青岛春意融融,与中国科学院海洋研究所(以下简称海洋所)一路之隔的黄海涛声隆隆,海潮每一次拥抱海岸都掀起无数浪花。  70年前,中国海洋科学的第一批“弄潮儿”从这里出发,欲透过波涛汹涌的海表,窥探潜流暗藏的海洋不平静的内心世界。  历史的浪涛滚滚,海洋所几代物理海洋学人勇立潮头,从近海水文气象到全球大洋环流与海气相互作用,解码波流奥秘,推动着现代中国物理海洋学不断发展。  在艰难中开创  1950年中国科学院水生生物研究所青岛海洋生物研究室(海洋所前身)成立之初,海洋物理研究组便应运而生,1959年扩建为研究室,逐步形成研究特色。  学科建立之初,研究基础十分薄弱。1954年,我国物理海洋学的奠基人之一毛汉礼先生放弃美国的优厚条件,克服重重阻力回到祖国,和管秉贤、任允武等老一辈科学家,带领海洋物理组的研究人员,克服设备简陋、经费不足等困难,一步步开创和发展了我国的物理海洋学研究。  今年84岁的中国科学院院士胡敦欣依然记得60年前毛汉礼先生指导他们在海上测量水温的情形:先把温度计装在颠倒采水器里,每隔5至20米一层放到水下,感温后,手摇绞车将其取出读温,一个测温站要放十几层水温表。“测温后要两人读数,如果前后读数差大于0.02℃,就必须重读。当年调查船小,晕船很厉害,有时一支水温表读下来就得呕吐几次……”胡敦欣回忆。  物理海洋室的老一辈科学家们,正是用这些“小米加步枪”的初级调查研究装备,为我国的物理海洋学发展做出了许多奠基性和开创引领性的成果。  上世纪50年代末,毛汉礼先后领导了我国第一次烟威外海鮐鱼渔场海洋学调查、第一次大型综合海洋考察渤海及北黄海西部综合调查;联合筹建了我国第一个海浪观测小麦岛海浪站;翻译出版了《海洋科学》《动力海洋学》等我国第一批现代海洋专业教材。他与日本海洋学家吉田耕造合作于1957年发表的上升流理论模式迄今仍被广泛采用。  1958至1960年,海洋所全程参加了首次全国海洋综合调查这一里程碑事件。毛汉礼担任这次调查专家组组长。他带领物理海洋研究室和其他单位开展了中国近海温度、盐度和密度等相关调查研究,揭示了黄海冷水团的成因、变化规律和中国海海流系统的结构及其与外海流系相互关系等,奠定了我国物理海洋学的学科基础。  在继承中创新  1978年全国科学大会召开,迎来了我国科学发展的春天。海洋所物理海洋学研究也逐步走上多元化发展的快车道。  这一时期,物理海洋研究室设立了水文、海流、气象、波浪、潮汐潮流、海洋物理等6个研究组,取得了一系列重要成果,可谓“全面开花”。  毛汉礼等第一次从多方面阐述了黄东海区域海洋学中的一些重要现象及基本特征;管秉贤发现了南海北部冬季存在着逆风向东北的南海暖流;胡敦欣在太平洋发现并命名“棉兰老潜流”等三支潜流,这是我国首次发现大洋海流,改变了有关西太平洋环流动力结构的传统认识;袁业立首次导出了波面主要部分的演化方程,实现了国外期望得到而未得到的结果;方国洪提出了潮汐准调和分析理论……这些成果和发现有力推动了物理海洋学的发展。  同时,海洋所的物理海洋学研究迅速与国际接轨。如参加了中美长江口联合调查研究,与美国伍兹霍尔海洋研究所联合开展南黄海环流与沉积动力学考察研究。此后成立了中国海洋通量研究委员会,在国际上首次开展陆架海洋通量研究,揭开了我国海洋通量研究的序幕,并与全球海洋通量联合研究计划接轨。  进入新世纪,在中科院知识创新工程背景下,海洋所物理海洋学再次迎来发展机遇。2000年,原来的物理海洋学研究室和海洋环流与海气相互作用研究实验室合并,并于2006年获批成立中科院海洋环流与波动重点实验室,聚焦环流、波动和遥感三大研究方向。  海洋所所长王凡表示,这是学科发展的需要,不管研究近海还是大洋,海洋动力学作为一个系统不能割裂,整合是为了更好地促进物理海洋学各方向交叉融合,更容易一个拳头发力。  这一时期,海洋所的物理海洋学家把目光进一步聚焦于西太平洋环流与气候系统。这里聚集了许多全球“之最”,如最大的暖池、最强的热带对流、最多的水汽含量等等,是我国从近海挺进大洋的“必经之路”。在胡敦欣的带领下,经过长达6年的系列国内外研讨会,海洋领域第一个由中国科学家发起并领导的大型国际合作计划“西北太平洋海洋环流与气候实验(NPOCE)”于2010年诞生,中、美、日、澳、韩、菲、印尼、德等8国的19个研究机构参与其中。  2013年,海洋所牵头实施的中科院海洋领域首个战略先导专项“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及影响”使我国在西太平洋环流与气候领域的观测研究迈上了新台阶。  在新时代奋进  博观而约取,厚积而薄发。党的十九大以来,海洋环流与波动重点实验室科研人员始终不忘初心,砥砺前行,面向世界科技前沿和国家重大需求,瞄准解决关键核心技术和重大科学问题,取得了一系列丰硕成果。  “比如,建立了西太平洋主流系潜标观测阵列,证实了‘棉兰老潜流’等潜流的存在,发现了新的次表层海流北太平洋次表层潜流,系统揭示了环流季节内到年代际的多尺度变异及机制,揭示了西太暖池分裂现象及对厄尔尼诺(ENSO)的影响,提出了印度洋—太平洋相互作用的‘海洋通道’机制,提出首个中科院海洋所冠名的ENSO预测模式并在国际发布……”实验室主任尹宝树举例说。  特别是,2017年实验室成功在西太平洋构建了全球最大的实时传输科学观测网,并于2019年进一步实现了基于北斗卫星的深海6000米潜标数据的实时传输,突破双向通信技术,实现观测频率可调,显著提高了深海数据实时传输的安全性、自主性和可靠性,在许多重要领域得到应用。  此外,科研人员首次从多学科观测结果找到了黑潮入侵中国东海陆架近岸的证据,提出了大洋入侵陆架的地形β螺旋动力学理论,阐明了连接西太平洋和东海陆架区的黑潮分支对我国近海生态环境的影响。  这些成果确立了中国在西太平洋海洋环流与气候观测研究领域的国际学科优势和引领地位。今年1月,由海洋所牵头申报的中科院B类先导专项“印太交汇区海洋物质能量中心形成演化过程与机制”立项,它将带领中国物理海洋学迈向新的国际前沿。  在笃行中传承  学科发展,人才是关键。早在上世纪50年代,毛汉礼等就主持开办海洋调查培训班,培养了一大批海洋调查骨干力量。1961年他开始招收国内首批物理海洋学研究生,提倡“以老带新、互教互学、能者为师”,培养了以胡敦欣、袁业立为代表的一批物理海洋学家,为我国物理海洋学的后续发展播下了人才的“种子”。  胡敦欣依然记得1961年在莱阳路25号二楼研究生办公楼学习的情景。“毛先生对研究生要求极为严格。他强调做科学就像小和尚打坐念经一样,首先要坐得住。”近60年后,胡敦欣仍记得恩师的教诲。正因为有这样的“严师”,胡敦欣和师兄弟的俄文、英文成绩在所里都是最拔尖的。  在后来的学习、科研生涯中,胡敦欣将沉心坐下来学习、做科研比喻为科学上的“意守丹田”,又把它传给了王凡等弟子们。“只有始终坚持培养年轻人发扬刻苦钻研、持之以恒的精神,科研方有持续后劲。”胡敦欣说。  继往开来,王凡表示,物理海洋学的发展首先要传承老一辈的科学精神,包括淡泊名利、追求真理的科学精神,不断开拓、勇于跟踪和引领国际前沿的探索精神,以及以开放的心态团结协作、推动学科发展的合作精神。  未来,人才仍是海洋所物理海洋学发展的重中之重。目前,海洋环流与波动重点实验室已涌现出一批在国内物理海洋领域崭露头角的优秀青年科学家。“他们拥有国际化的思维方式和研究能力,将在国际舞台上绽放新的光彩。”尹宝树对未来充满信心。  (原载于《中国科学报》2020-04-29第3版)

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  编者按  新材料的发明和应用是人类社会文明发展的里程碑。人类在新材料和新技术的研究中,一直期望发展新理论来指导设计和定向制备具有某种特定功能的新材料,以缩短新材料的研制周期,满足国家经济的长期发展战略需求。  作为我国“老字号”的优势领域,长期以来,我国依靠已有基础,在非线性晶体材料的结构设计和晶体生长等方面保持国际领先地位。  2009年起,国家自然科学基金重大研究计划“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”启动,“中国牌”晶体再度领跑世界。  上世纪80年代,我国科学家在硼酸盐体系中相继发现了偏硼酸钡(BBO)和三硼酸锂(LBO)这两种在非线性光学领域影响深远的“中国牌”晶体,2001年又研制出全球独一无二的氟代硼铍酸钾晶体(KBBF),突破了国际激光界长期以来的“200纳米壁垒”。晶态材料,向来是我国“老字号”的优势领域。  可以说,非线性光学晶体原创研究领先了欧美等发达国家数十年,而中国在该领域的持续创新并未停止。  2009年起,在中国科学院院士、中国科学院福建物质结构研究所研究员洪茂椿等多位专家的倡导下,国家自然科学基金重大研究计划“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”启动。  2019年结束时,洪茂椿指出:“该研究计划对发展新理论来指导设计和定向制备具有某种特定功能的新材料,以缩短新材料的研制周期,满足国家经济的长期发展战略需求是十分必要的。”  “中国牌”晶体面临挑战  从远古的石器时代、青铜器时代、铁器时代到半导体时代、信息时代,材料的发展推动了人类社会和文明的进步。  在材料科学研究中,晶态材料是固态材料的主体。其主要特征是结构有序稳定,本征特性多样、物理内涵丰富、构效关系明确、易于复合调控等,可以实现功能导向的结构设计、化学合成和材料制备,获得所需应用特性的材料和器件,在众多领域发挥着重要作用。  经过几代人的努力,由我国科学家发明的具有自主知识产权的BBO、LBO、KBBF等高性能非线性晶体材料及器件享誉世界。  长期以来,我国依靠已有的基础,在非线性晶体材料的结构设计和晶体生长等方面保持着国际领先地位。但随着国际竞争加剧,晶态材料成为世界各国战略必争的领域,西方发达国家政府加大支持力度,如日本在晶态材料领域设立长期优先资助计划,欧盟设立基于性能导向的晶态材料优先研究领域……  一时间,我国在晶态材料领域特别是非线性光学材料领域的国际领先优势受到多方面挑战。  “由于基础研究缺乏持续支持,导致我国晶态材料研究的原创性不足,具有我国自主知识产权的新型功能材料较少,跟踪研究较多,高技术产业对国外技术的依赖性强,这极大地影响了国家整体的竞争能力,特别是在高科技领域受到西方发达国家的制约极为明显。”洪茂椿介绍。  他表示,国家自然科学基金委员会成立伊始,就为支持“中国牌”系列晶体的理论和设计方法的研究起到了关键作用。时隔几十年,自然科学基金委再度给予了这一“老字号”品牌强有力的支持。  稳定支持8年来,科学家取得一系列研究成果。包括发现晶态材料的光、电、磁及其复合性能与空间结构以及电子结构之间的内在关系规律,揭示决定晶态材料宏观功能的结构基元及其在空间的集成方式,为实现功能导向晶态材料的设计和制备提供理论基础。  通过该重大研究计划,我国自主研发的晶态材料越来越多地登上国际舞台。例如,非线性光学晶体材料领域发展了原子极化轨道响应与功能基元协同效应新型非线性光学(NLO)理论,研究论文数量和质量逐年提升,在国际上率先发现一批新型深紫外非线性光学晶体材料。2019年该领域中国发表的论文数量占全球论文数的45%。2009~2019年在该领域ESI高被引高端论文中,中国科学家发表了41篇,占全部ESI高被引论文数(118篇)的35%,居全球首位,“中国牌”晶体再次领跑世界。  加强学科交叉和课题合作  材料研究不仅需要材料学科的基础,而且还依赖于化学、物理、生命科学等多学科领域的广博学识。因此,学科交叉是该研究计划的重要特点。  “自然科学在不断发展分化的同时,又不断趋于综合。在各门科学之间,不断发生研究方法和知识体系的交叉,并由此产生了新的科学前沿和充满活力的新兴学科。”洪茂椿引用一位前人的评价说。  其中,化学家在材料的设计、可控制备、结构调控与优化和物理化学性质表征等方面有优势,开拓了新材料研究的源头;物理学家擅长于材料的新现象和新性能及其机理的研究,在新材料的发现和应用过程中起着不可替代的作用;材料学家以材料制备为己任,以优化材料性能、解决材料应用过程中的关键工程技术为重点,是新材料从制备到实用的关键。  为了完成这项多学科协作,指导专家组下足了功夫,分别在全国几个点(合肥、长春、西安、南京、福州等)举办了申请指南的宣讲会,引导组织学科交叉的研究群体。  分子铁电体的研究就是一个典型的案例,项目集中了该研究领域国内优势研究单位,经过八年的努力发现了具有最高极化强度和最高压电性的系列无金属钙钛矿分子铁电体材料,使得我国在分子铁电研究领域从起跑跟踪到领跑,进入了材料设计时代,到项目结束时在《科学》发表了系列研究论文,引领该领域国际研究。  一系列的研究得到了国际上的公认。项目发现的新型KFe2Se2系列铁硒基超导体,开辟了国际超导研究的新领域,30余个国家的300多个实验室跟踪研究,成为2012~2014年物理学领域最活跃的前沿研究之一。俄罗斯科学院院士Sadovskii将其评价为“代表了发展铁基高温超导体物理新概念的最新进展”。  据了解,项目实施期间获授权专利308件,组织国内外特邀学术报告273人次。“我们经常举办年度学术交流活动,作口头报告和墙展等。我们认为年度学术交流会议是较为成功的一种推动学科交叉、学科发展的形式。”洪茂椿说。  分工明确的学术与管理体制  作为“老字号”的研究领域,如何在新时期提升项目运行成效,一直是指导专家组思考的问题。  本重大研究计划自正式启动以来,项目组就以“依靠专家”“科学管理”“鼓励交叉”“激励创新”为宗旨,以应用目标为导向,深入开展基础研究和应用基础研究。他们提出“决定晶态材料功能和物性的关键功能基元的确定”“晶态材料功能、物性及其微观结构的关系及其规律”“基于功能基元晶态材料的设计原理和可控制备”这3个核心科学问题,为重大研究计划提出了明确目标。  “我们组织结构可以说是各司其职,分工明确。”洪茂椿告诉《中国科学报》,项目建立了以基金资助管理体制与专家学术管理体制相结合的管理结构,即设立重大研究计划指导专家组和管理工作组,建立分工不同、相互协调与互动、相互制约的有序工作关系。  其中,指导专家组主要发挥“专家规划、顶层设计、科学指导”的学术职能,负责制定实施规划书、资助计划和项目指南,主持项目评审、年度交流会,审阅进展和结题报告,遴选集成项目。管理工作组发挥“协助专家、日常管理”的行政职能,协助指导专家组进行战略规划、组织学术活动和项目评审,负责申请和资助项目的日常管理。  自2009年1月首次正式发布指南、接受申请以来,该重大研究计划共正式发布指南和受理申请6次。经专家通讯评审和会议评审,正式资助项目158项(其中培育项目124项、重点项目29项、集成项目3项、战略项目2项),已资助总经费为1.9亿元,占总预算100%。  指导专家组表示,申请书应论述与项目指南最接近的科学问题,同时要体现交叉研究的特征以及对解决核心科学问题和实现项目总体目标的贡献。不符合项目指南的申请将不予受理。  “培育阶段的5次指南发布,均经过指导专家组讨论。在阶段评估的基础上,根据晶态材料的学科前沿发展,以晶态材料为主线,对研究计划进行增补和调整。”洪茂椿说。  在项目集成阶段,为进一步凝练重大科学问题,指导专家组会评估培育阶段的项目,根据前期研究成果,重点集成、加强资助。  经过指导专家组对项目执行情况的评估并结合本研究计划目标的要求,在分子磁体、分子基铁电和多铁材料、分子基MOF材料、分子基光功能材料、非线性和激光晶体材料和能量转换材料6个方向凝练集成项目。最终根据2014年度重点资助领域和研究方向,对前期的项目再次归纳总结,形成了三个集成方向,即磁电功能分子晶态材料、分子铁电体材料、层状超导与热电材料。  “科学创新不能总模仿别人。”这是洪茂椿常挂在嘴边的一句话。他表示,下一步将集中国内晶态材料领域优势力量,在“从0到1”的基础研究方面取得更大的原始创新成果,同时面向国家重大需求,在提高关键核心技术创新能力方面取得重要突破,在晶态材料研究领域实现新的跨越。  不断刷新纪录!我国单分子磁体研究已站在国际前沿  尺寸约1纳米的单分子磁体,有望突破现有磁存储、芯片技术材料理论和技术极限,成为未来高密度存储和量子计算的理想元件。寻找合适的高性能单分子磁体,成为近年来的一个研究热点。  在国家自然科学基金重大研究计划“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”支持下,科研人员锁定“能垒”和“阻塞温度”两个关键指标,不断提升材料性能。  中山大学化学学院教授、中国科学院院士陈小明向《中国科学报》介绍,研究人员主要在磁各向异性调控和对称性调控等方面取得进展。  在磁各向异性调控方面,科研人员分别刷新了自旋基态和核数的最高纪录。2015年,大连理工大学刘涛课题组与日本学者合作,设计合成出高对称性铁磁耦合的高核簇,基态自旋量子数达到45,为当时报道的最高纪录。西安交通大学郑彦臻课题组则于2016年首次报道了目前核数最大的稀土单分子磁体——稀土基“纳米管”{Dy72},该管状分子外壁由72个稀土金属中心通过氧桥连接组成。  “考虑到这些分子磁体的能垒和阻塞温度都不高,因此开拓新的提升单分子磁体性能的有效策略非常迫切。”陈小明指出。  北京大学高松院士课题组发展了提升单分子磁体性能的新策略。基于这些新策略,他们通过分子设计与合成,制备了一系列结构多样的稀土金属单离子磁体,有利于产生高能垒。2011年,他们报道的“环戊二烯环辛四烯基铒”,则开辟了金属有机单离子磁体研究的全新领域。  在对称性调控方面,中山大学童明良课题组率先从晶体场理论预测出发,提出创新性的理论预测。同时设计合成了一系列热稳定性很高的单离子磁体,不断刷新能垒和阻塞温度纪录。  2017年前后,童明良课题组与英国学者合作,设计合成并表征了准线性配位的茂镝单分子磁体,再次刷新世界纪录,其有效能垒大于2200K、阻塞温度突破液氮温度达80K,为单分子磁体的实用化奠定了基础。  “2011年以来,在该重大研究计划的支持下,中国学者先后提出金属有机单离子磁体、具有对称性特征的点群分子可以提高能垒和阻塞温度,之后研究进展迅速。”陈小明表示,“中国学者能够多次刷新纪录,说明我们已经站在国际最前沿。”  分子铁电体:压电材料突破应用瓶颈  压电材料,是一种在受挤压或拉伸时可以产生电,或施加电压后能够伸长或缩短的材料,具有广泛应用场景。其中,以钛酸钡(BTO)和锆钛酸铅(PZT)为代表的无机陶瓷铁电体,由于其巨大的压电性能等优势占据了当前应用的主流。  随着基础研究和应用领域对薄膜器件、柔性器件、可穿戴器件的需求逐步升温以及对环境保护的重视,分子基材料具有轻量、柔性、低温制备、易成膜、结构可调性和生物兼容性等优点,是未来实现柔性、可穿戴和医用植入等设备的希望。  目前,分子基材料的压电性能较差是制约其应用的关键。东南大学教授熊仁根向《中国科学报》介绍,自1880年发现压电效应后,还没有一个分子基材料能达到BTO的水平。“这是一个困扰了人们100多年的难题,只有突破这个瓶颈,分子基压电材料才有望被广泛应用。”  在本重大研究计划支持下,科研人员围绕这一问题展开深入研究,取得多项成果。  2013年,研究人员发现首例可与BTO的相变点和饱和极化值相媲美的分子铁电体——二异丙胺溴盐(DIPAB),成为分子铁电体研究的重要里程碑。《科学》特邀评论称:“DIPAB的性能远远胜过其他有机材料,已接近或者说达到了氧化物铁电体的水平。”  针对其压电系数仍然不够理想的问题,他们回到第一个铁电材料“罗息盐”的结构中寻找答案。“我们开展分子铁电体研究近20年来,一直致力于用化学语言来理解它的10个极性点群。”熊仁根介绍。  他们在通过这10个极性点群利用化学语言来修饰四甲基铵的过程中,提出了定向设计分子铁电体的设计策略“似球—非球理论”。基于这一理论,他们合成了一类具有优异压电性能的分子铁电材料“三氯合锰酸三甲基氯甲基铵(TMCM-MnCl3)”和“三氯合镉酸三甲基氯甲基铵(TMCM-CdCl3)”。  这种新型分子铁电材料首次在压电性能上达到了BTO的水平,解决了近百年分子压电材料的世纪难题,研究工作于2017年在《科学》上发表。随后,研究人员通过设计分子铁电材料“三溴合锰酸三甲基溴甲基铵”,进一步证实了“似球—非球理论”。2017年,这些工作获得国家自然科学奖二等奖。  2018年,熊仁根课题组又受罗息盐手性点群的启发,充分利用“似球—非球理论”,组装了一类全有机的无金属的三维钙钛矿铁电体,在《科学》上发表,并入选当年教育部“中国高等学校十大科技进展”。  2018年以来,在国家自然科学基金倡导多学科交叉的契机下,熊仁根课题组与中国科学院上海有机所吕龙课题组开展合作。他们在原创新理论“托氟效应”的基础上,合成了分子钙钛矿二元固溶体(TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3。这一柔性材料的压电性能与工业标准陶瓷PZT相当,为压电材料在柔性可穿戴器件领域的应用拓展提供了全新的思路。2019年,他们在《科学》上发表了继2013年、2017年、2018年后的第四篇论文,南昌大学作为第一通讯单位。  熊仁根指出,经过20多年不懈的努力,科研人员应用化学语言,理解了铁电相的10个极性点群,可以通过“似球—非球理论”“托氟效应”“手性构筑”精准设计分子铁电体。“我们实现了从‘跟跑’到‘并跑’最后‘领跑’国际分子铁电研究的不断超越。最终建立了我们自己的研究体系,开创了铁电化学这一崭新的交叉学科,从而使铁电体的发现从早期的盲目探索转变为现在的精确设计。”  激光晶体与非线性光学晶体:解决若干核心关键问题  中国科学院福建物质结构研究所叶宁向《中国科学报》介绍,研究人员在非线性光学晶体与激光晶体构效关系理论、深紫外与中红外非线性光学晶体、特殊波长激光晶体等方面开展系统探索工作,在多个激光应用领域实现晶体材料的突破。  在深紫外非线性光学晶体方面,叶宁课题组从硼酸盐中硼氧核心功能基元出发,以同样具有平面三角形结构的碳酸盐、硝酸盐等化合物为研究对象,发现了系列碳酸盐晶体ABCO3F和系列非水溶性硝酸盐晶体Re(OH)2NO3。此外,北京师范大学陈玲课题组提出非线性光学活性基团(PO3F)2-,中国科学院福建物质结构研究所罗军华课题组提出以硫氧四面体为活性基团的硫酸盐晶体材料。这些材料极大拓展了深紫外非线性光学材料的探索范围。  在中红外非线性光学晶体方面,叶宁课题组和中国科学院理化技术研究所姚吉勇课题组,基于能带调控策略,向硫属化合物中引入最重的碱土金属钡,发现两个高性能新型中红外非线性光学晶体。这项工作解决了中红外非线性光学晶体的重要应用瓶颈,走在世界前列。  在激光晶体方面,中国科学院福建物质结构研究所黄艺东课题组通过对基质晶体的筛选和离子浓度的调控,研发出了人眼安全波段激光晶体,有望为自动驾驶激光雷达和激光测距等仪器提供一种性能优良的探测光源。  在复合功能晶体研究方面,山东大学王继扬课题组注重激光与倍频的功能复合,将激光与非线性光学晶体两大核心功能基元——非线性光学阴离子基团和发光中心多面体耦合并研制出稀土硼酸盐自倍频晶体,获得国际最高功率自倍频绿光输出,解决了原先自倍频晶体的输出效率低于激光与倍频分立器件输出效率这个长期无法解决的难题。  “在科学基金支持下,我们在这一方向的课题中实现光电功能物质的结构设计与可控合成研究目标。其中,深紫外非线性光学晶体研究工作继续引领世界,中红外晶体部分研究工作进入国际前沿,解决了若干核心关键科学问题。”叶宁总结道。  (原载于《中国科学报》2020-04-27第4版自然科学基金)

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  近日,中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿团队在《德国应用化学》发表的一项成果,引起了业界的关注。他们提出并验证了一种新的太阳能分解水规模化制氢策略——“氢农场”策略,并使太阳能光催化分解水制氢效率创世界纪录。  “氢农场”策略类似于农场种庄稼,春天大面积播种后,利用光合作用过程把太阳能储存在庄稼里,等秋天庄稼成熟后再把粮食集中收割起来。  “太阳能光催化来分解水制氢是被国际上认为非常理想的生产绿色氢能的过程。”李灿在接受《中国科学报》采访时说,他们的研究就是把光催化剂做成纳米颗粒分散到水里,经太阳光照射水分解就可产生氢气和氧气。  不过,据记者了解,这种制氢方式目前要想实现大规模工业化应用仍然面临挑战。  灵感来自“道法自然”  利用太阳能制取清洁的氢能以代替化石燃料,被认为是未来能源革命的重要方向。  太阳能分解水制氢,目前主要有三条途径,第一条以太阳能电池发电为主,利用电解等技术把水分解成氢气和氧气;第二条为光电催化分解水制氢;第三条就是光催化分解水。该途径虽然工艺简单,但实现规模化生产的技术难度较大。  “氢农场”策略就属于第三条途径。其目前需要解决两个关键问题,一是如何高效地利用水氧化反应把太阳能储存起来;二是如何抑制光催化剂表面生成的氧化态和还原态储能介质之间的逆反应。  李灿告诉《中国科学报》,早在2001年,中国科学院大连化学物理研究所太阳能制氢的相关实验室便已建成,经过前后20年的研究积累,最终取得如今的成绩。而在这场前后上百人投入的马拉松式的“竞赛”中,也遇到很多难题,如光催化剂效率偏低、直接将氢气和氧气同时释放存在混合爆炸的安全隐患、氢气和氧气的分离和成本等等。  解决这些难题的背后,李灿给出了四个字“道法自然”。  五六年前,为了找到破解之策,农业中大面积种植庄稼的过程给了李灿团队灵感。他们发现,绿色植物光合作用的第一步就是分解水反应,将水分解为氧气和质子及高能电子,氧气释放到大气中,质子参与后面的碳固定反应,合成糖类等生物质。整个过程既不需要密封,也不需要收集气体,氧气的释放还改善了空气质量,很容易实现大面积种植。  因此,“氢农场”策略也是先捕获太阳能发生水氧化反应,把氧气释放出去,再把储存的太阳能收集起来,集中生产氢气。其原理与种庄稼的过程类似,破解了大规模太阳能光催化制氢应用的技术瓶颈。  三大创新展示未来前景  “李灿团队的工作,向同行们展示了未来太阳能分解水制氢的前景,增加了该领域研究者的信心。”提及该项成果,中国科学院外籍院士、瑞典皇家工学院分子器件讲席教授孙立成如此评价。  孙立成长期从事太阳能燃料与太阳能电池科学前沿领域应用基础研究,组织完成了多项太阳能燃料与太阳能电池领域重大科研项目。在他看来,李灿团队在科学和技术挑战、成本及可规模化展示上,都做得“非常漂亮”。  从科学和技术挑战来说,李灿团队用的是一种叫“钒酸铋”的黄色半导体光催化材料,可以吸收一定波长范围的太阳光,把这个材料做成一个个具有规则结构的小单晶,分散到水溶液中,光一照就可以高效地把水氧化成氧气。  “这种做法还是不多见的。”孙立成对《中国科学报》说,其可以利用单晶的不同暴露晶面把电子和空穴在空间上分开,高效地把水氧化成氧气,还可以同时解决储能介质(氧化还原对)之间的逆反应,再用电解的方式把氢气释放出来。这种策略的好处是,氧气和氢气完全分开,解决了光催化分解水体系中氧气和氢气混合在一起的技术难题。  从成本来讲,“氢农场”策略所用的光催化剂由一些非贵重金属元素组成,是相对廉价的材料。而且,大面积储存太阳能的过程不需要收集气体,反应器也不需要密封,反应器的制造加工成本也低,这为未来实现工业化生产提供很大的可能性。  从可规模化展示上,孙立成认为,工作中的“反应池”已经有了平方米级的“尺寸”,并且通过太阳光下的试验,证明“氢农场”这一思路确实可行,未来还可以放大并进一步优化,有希望实现规模化生产。  创建大规模工业应用之路  “氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%,是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值(此前最高纪录是1.1%)。这是否意味着该项技术已趋向成熟,很快就可以推广?  美国能源部对化石资源制氢和太阳能分解水制氢成本做过一个粗略估算,若利用纳米颗粒光催化剂的太阳能制氢效率达到10%、催化剂稳定工作时间超过3000小时,太阳能制氢的成本与廉价化石资源(例如煤或天然气)制氢的成本相当,具有与传统化石资源制氢可竞争的成本,可以进行大规模工业应用。  对此,中国科学院大连化学物理研究所研究员李仁贵认为,太阳能分解水制氢技术目前还存在效率较低、制氢成本高等问题,不考虑环境和生态成本的话,太阳能分解水制氢的成本还高于化石资源制氢,尤其是基于粉末纳米颗粒体系的光催化分解水制氢。  “该技术虽然工艺简单、易操作、投资成本低,但是由于其太阳能制氢效率还不够高,距离规模化工业应用还有一定距离。”李仁贵坦言。  他表示,目前,“氢农场”制氢效率超过1.8%,还有很大的提升空间。如果将光催化剂对太阳光的吸收范围从目前钒酸铋材料的520纳米进一步拓展至600纳米以上,甚至700纳米,储能介质的化学电位进一步降低的话,整个体系的太阳能制氢效率达到10%还是有希望的。这项研究验证了这种可行性,也为本领域同行展示了努力的方向。  孙立成则表示,通过“氢农场”的思路,氢气、氧气可以分离,太阳能制氢效率也可以提高。“太阳能制氢效率将来如果能超过6%的话,就有希望大规模生产,最理想的状态是10%以上。基于目前的成果,大家有信心继续努力把这个体系做得更好。”  相关论文信息:https://doi.org/10.1002/anie.202001438  (原载于《中国科学报》2020-04-22第3版能源化工)

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