【人民日報】目標導向，牽引基礎研究

包信和院士在調試氣氛掃描隧道顯微鏡。謝震霖攝

江俊（右）和團隊在調試機器化學家的操作精度。張大崗攝

王博在觀察多孔材料晶體。北京理工大學供圖

　　加強基礎研究，是實現高水平科技自立自強的迫切要求，是建設世界科技強國的必由之路。近年來，我國堅持目標導向和自由探索并舉布局基礎研究，取得了一批重大原創成果。

　　當前，不論是攻克“卡脖子”難題，還是開辟發展新領域新賽道、不斷塑造發展新動能新優勢，都更加需要將目標導向和應用牽引擺在更重要的位置，從經濟社會發展和國家安全面臨的實際問題中凝練科學問題。

　　目標導向如何牽引基礎研究，與產業應用有什么關系，如何讓目標導向基礎研究越做越好？記者走進北京、大連、合肥等地的科研團隊，在創新故事中探尋答案。

　　實現煤炭清潔高效轉化，大連化學物理研究所包信和院士團隊——

　　明確攻關方向

　　另辟應用賽道

　　在陜西榆林，一套低碳烯烴工業試驗裝置備受產業界關注。“從合成氣一步生產烯烴，這是全球首套。”潘秀蓮有些自豪。

　　潘秀蓮是中科院大連化學物理研究所研究員、包信和院士團隊成員。她曾在大連實驗室和榆林之間頻繁奔波，對這套裝置分外有感情：“這是在理論基礎上結出的果實，團隊為此努力了20多年。”

　　烯烴是重要的基礎化學品，主要從石油中提煉。我國貧油、少氣，煤相對豐富，以煤為原料直接制備烯烴，有助于減輕對進口石油的依賴。

　　過去近百年，煤制烯烴普遍采用費托合成技術。然而，受限于作用原理，費托路線制低碳烴的選擇性理論極限只有58%，且生產過程耗水、耗能高，還釋放大量二氧化碳，無法做到煤炭清潔利用。

　　有沒有方法突破選擇性極限，實現一步高效制取低碳烯烴？“實現煤炭清潔高效轉化很重要，科技要為國家重大需求提供支撐。”中科院院士包信和立志攻關。找準科學問題，明確攻關方向，他帶領團隊，通過表界面結構調控的方法催化機理，提出了“納米限域催化”新概念。經驗證，該理論具有較強解釋力，催化反應的神秘面紗逐漸被揭開。

　　由此出發，他們創制了一種新型催化劑體系，從原理上摒棄傳統費托合成路線，實現了高選擇性一步制取低碳烯烴。

　　探索歷程并不平坦。很長一段時間內，反應機理與催化過程的驗證實驗總得不到理想的結果。問題出在材料、方法還是操作上？許多瑣碎但關鍵的問題困擾他們。

　　用新路線制備烯烴，還得過“經濟關”，企業才有積極性，這對催化效率提出了更高要求。包信和團隊成員、大連化物所研究員傅強花費了大量時間，鉆研、闡釋催化機制。為更好觀察催化現象，他設計了一些新儀器并發展了系列新方法，帶領團隊做進一步研究。

　　“從0到1”的大突破，往往來自許多“從0到1”的小積累。回顧20多年科研歷程，包信和表示，“煤制烯烴新路徑目標，驅動著團隊解決一個個困難。”

　　“基礎研究有的放矢，成果推向應用就會有扎實的成效。”包信和說。確信新技術路線可行后，包信和團隊與大連化物所劉中民院士團隊以及陜西延長石油（集團）有限責任公司合作，建成了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。

　　業界專家評價，該技術邁向產業化，將為我國進一步擺脫對原油進口的依賴，實現煤炭清潔利用提供一條新路線。“這個點子為什么我們沒先想到？”了解包信和團隊思路后，德國某著名跨國化學公司的資深專家感慨。

　　2019年，該裝置完成單反應器試車，低碳烯烴選擇性優于75%；2020年成功完成工業全流程試驗，正加速工程化轉化和工業示范……從實驗室到工廠，“納米限域催化”研究實現了從基礎研究到應用工程的跨越。

　　“在實驗室，催化劑可能只需1克，在工廠工業試驗，催化劑則要1噸。任何一個環節微小的差異，都可能給示范項目造成很大損失。”潘秀蓮說，工業試驗項目進展順利，得益于不同團隊的協同攻關，也源于扎實的基礎研究，“對催化機理了解越清楚，做工程應用自然就越有信心。”

　　開發新型材料，北京理工大學王博團隊——

　　瞄準產業痛點

　　推進基礎研究

　　去年10月，國際期刊《科學》刊發報道：北京理工大學王博教授團隊開發的一種新型功能多孔材料，能夠大幅提高燃料電池功率密度，有望破解氫能規模利用的關鍵難題。

　　氫燃料電池功率上不去，源頭在燃料電池催化層氣固液三相界面中質子導通受阻以及氣、水輸運不暢。攻克這一應用堵點，提高催化層的傳質效率是突破口——這相當于為化學反應建設一條通暢的道路。

　　受制于材料，電化學反應的“路”要么太窄，要么太堵，路況也不好。“卡在催化層，就像路修到了鎮上，卻因為村里還是山路、土路，車子開不進去。”王博說，團隊的工作就是要在“村”里修高速路。

　　功能多孔材料，特點是內部有“孔”，就像納米尺度的蜂巢一樣，比表面積大。全部展開，1克材料可以覆蓋一個標準足球場。突破傳統材料束縛，王博團隊首次構筑燃料電池多孔離聚物。經實驗測試，應用于催化層，顯著降低氧氣傳質阻力，使商業鉑碳催化劑的質量活性和燃料電池的峰值功率密度均提高1.6倍。

　　產業痛點明確，其他科學家也在研究功能多孔材料，為什么王博團隊能實現突破？

　　“這源于團隊對材料的深刻理解。”王博聊起攻關歷程。近20年積累，在孔道結構設計、客體分子與孔內界面相互作用調控、孔內物質傳輸機制等方面，團隊攻克了一系列關鍵問題。

　　基礎研究扎得牢，應用需求摸得清，團隊才能夠針對關鍵問題設計并研制出想要的材料。像氫燃料電池一樣，發現產業應用中的痛點，從基礎上找源頭、找答案，王博團隊解決了不少問題。比如，團隊開發的功能多孔材料已經應用到海水淡化、生物殺菌、氫氣純化等領域。

　　近年來，王博團隊瞄準產業“卡脖子”難題，開拓功能多孔材料應用。破解產業問題，反過來也牽引基礎研究發展。“發現新用途后闡釋背后機理，或者為了特定用途開發新材料，都推動基礎研究向前。”在王博看來，“解決產業難題和推進基礎研究，兩者相互促進。”

　　“科研不是孤芳自賞，要解決真問題。”王博認為，目標明確的基礎研究，是在強約束下做科學探索，“必須用新辦法突破魚與熊掌不可兼得的困境，而關鍵創新往往正是來自這樣需求具體、邊界清晰的問題。”

　　探索基礎前沿，興趣驅動力不可少；瞄準特定目標，個人又要為團隊服務。經過多年實踐，王博團隊走出了一條“特種兵”與“尖刀連”相結合的基礎研究組織模式。

　　“‘特種兵’長期‘埋伏’在特定領域，錘煉自己的專長，團隊不干涉個人興趣。發現了重大需求，大家組織在一起就是‘尖刀連’，戰略上方向統一，戰術上各展所長，形成一個‘形散神不散’的突擊隊。”王博解釋。

　　團隊中，王璐專注于電催化研究，她既是該方向的“特種兵”，又是氫燃料電池科學攻關“尖刀連”的一員。如今，她正著力鉆研催化劑如何高效促進氧氣變成水——這是氫燃料電池規模應用中另一個關鍵科學問題。

　　服務國家重大需求和經濟社會發展，基礎研究需要“從0到1”的工作，也需要聚焦“四個面向”戰略要求。王博認為，兩者并不矛盾。今天，面對重大科學問題，多學科交叉融合攻關是大勢所趨。王博團隊正與北京大學、清華大學、中科大等合作，協同在一些關鍵問題上攻關，為產業發展筑牢基礎。

　　探索智能化學，中國科學技術大學江俊團隊——

　　人工智能助力

　　前沿探索加速

　　走進中國科學技術大學機器化學家實驗室，一種化學研究新模式讓人眼前一亮：這里沒有忙前忙后的科研人員，多數工作由一臺機器人完成。它穿梭于操作臺間，伸出機械手臂，靈活配制試劑，不僅能根據指令操作實驗，還會自主思考實驗步驟和方案。

　　“我們的‘小化學家’擁有‘超強化學大腦’。”實驗室負責人、中科大化學物理系江俊教授一臉自豪，“從數百萬材料的可能組合中找到最優解，科學家一生都做不完，有了機器‘化學家’，找到備選結果，可能只需要一兩周。”

　　傳統化學研究靠“窮舉”“試錯”等手段，效率不高，而且隨著研究對象日益復雜，科研人員越來越難找到合適的材料組合，成為現代化學工業發展的瓶頸。

　　科學家暢想，借助人工智能開發新工具。但一來缺少高質量訓練數據，二來懂計算機的不精通化學，學化學的又多數對計算機陌生。

　　瞄準這一前沿課題，2014年起，江俊帶領一支涵蓋化學、計算機、數學的跨學科團隊，采用信息學工具大規模采集數據、搭建模型，打磨出我國第一代材料科學知識圖譜。

　　模型有沒有用，要在實驗中做進一步驗證，這意味著更大的投入。正當江俊犯愁時，中國科學院發布的揭榜掛帥項目幫了大忙。

　　2021年初，中科院對外發布了當年基礎前沿和關鍵核心技術中的重大科學問題清單。“數據驅動的化學、材料和生物科學的機器科學家”便是46個項目之一。

　　江俊鼓起勇氣申請揭榜，沒想到申請時只需寫清楚研究的價值、方法等要點。“只寫了兩頁紙，是我寫過最簡單的項目申請。”江俊說。

　　經過評審，江俊團隊獲得專家認可。從2021年到2025年，連續5年共穩定支持2000萬元，其間無需考核。經費使用也比較自由，完全根據科研實際需求，自行制定年度預算。

　　“探索化學和人工智能結合”，是2020年度國家自然科學獎基金項目指南的一個方向。看中江俊團隊的研究前景，基金委先后給予了“杰出青年基金項目”和“重點項目”支持。按以往統計，同一年內，從未有過科研人員同時獲得這兩項支持，為了加速推動研究，基金委以大魄力開了“先例”。

　　中科大的人才支持政策幫助也很大。“學校沒有科研考核、漫長的評審和論資排輩，只要研究有‘品位’，就有施展才華的舞臺。”江俊說，“團隊持續專注這一前沿課題，得益于鼓勵原創的舉措。”

　　從科研“揭榜掛帥”到建立穩定支持機制，從破除“四唯”到為青年人才減負……近年來，科研體制改革不斷深入，為創新團隊勇闖無人區提供了支撐。

　　去年，江俊團隊迎來成果收獲期：開發了全球首個集閱讀文獻、自主設計實驗、覆蓋材料開發全流程的機器化學家平臺“小來”。刊發該成果論文的期刊《國家科學評論》評價，研究“將對化學科學產生巨大影響”。

　　擁有“超強化學大腦”的“小來”正在展現它的價值。中科大教授鄒綱專注于光學薄膜材料研究，想找到對比度G因子更高的材料組合，依賴人工一一驗證需要幾十年。借助“小來”，科研人員僅用10多天時間，就從上千萬種的配比選擇中找出了20多種材料組合。經驗證，機器推薦的材料組合的對比度G因子接近理論極限，為開發優質薄膜材料開辟了新方法。

　　到火星上如何生產氧氣？江俊透露，科研人員近期正開展相關前沿研究，其中就用到了“小來”的智能化學分析能力。“未來人類移民火星，可能就得帶上‘小來’呢。”江俊說。

　　（原載于《人民日報》 2023-04-10 13版）