目標導向，牽引基礎研究 - 國內

當前，不論是攻克“卡脖子”難題，還是開辟發(fā)展新領域新賽道、不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)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(fā)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(yè)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(chuàng)新故事中探尋答案。

實現(xiàn)煤炭清潔高效轉化，大連化學物理研究所包信和院士團隊——

在陜西榆林，一套低碳烯烴工業(yè)試驗裝置備受產業(yè)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(xiàn)一步高效制取低碳烯烴？“實現(xiàn)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(fā)，他們創(chuàng)制了一種新型催化劑體系，從原理上摒棄傳統(tǒng)費托合成路線，實現(xiàn)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(yè)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(xiàn)象，他設計了一些新儀器并發(fā)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(guī)模的煤經合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗裝置。

業(yè)界專家評價，該技術邁向產業(yè)化，將為我國進一步擺脫對原油進口的依賴，實現(xiàn)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(yōu)于75%；2020年成功完成工業(yè)全流程試驗，正加速工程化轉化和工業(yè)示范……從實驗室到工廠，“納米限域催化”研究實現(xiàn)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(yè)試驗，催化劑則要1噸。任何一個環(huán)節(jié)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(yè)試驗項目進展順利，得益于不同團隊的協(xié)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。”

去年10月，國際期刊《科學》刊發(fā)報道：北京理工大學王博教授團隊開發(fā)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(guī)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(zhèn)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(tǒng)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(yè)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(yè)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)產業(yè)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(fā)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(yè)“卡脖子”難題，開拓功能多孔材料應用。破解產業(yè)問題，反過來也牽引基礎研究發(fā)展。“發(fā)現(xiàn)新用途后闡釋背后機理，或者為了特定用途開發(fā)新材料，都推動基礎研究向前。”在王博看來，“解決產業(yè)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(chuàng)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?zhèn)€人興趣。發(fā)現(xiàn)了重大需求，大家組織在一起就是‘尖刀連’，戰(zhàn)略上方向統(tǒng)一，戰(zhàn)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(guī)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(fā)展，基礎研究需要“從0到1”的工作，也需要聚焦“四個面向”戰(zhàn)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(xié)同在一些關鍵問題上攻關，為產業(yè)發(fā)展筑牢基礎。

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(shù)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(jù)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(shù)百萬材料的可能組合中找到最優(yōu)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(tǒng)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(xiàn)代化學工業(yè)發(fā)展的瓶頸。

科學家暢想，借助人工智能開發(fā)新工具。但一來缺少高質量訓練數(shù)據(jù)，二來懂計算機的不精通化學，學化學的又多數(shù)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(shù)學的跨學科團隊，采用信息學工具大規(guī)模采集數(shù)據(jù)、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(fā)布的揭榜掛帥項目幫了大忙。

2021年初，中科院對外發(fā)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(shù)據(jù)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(xù)5年共穩(wěn)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(jù)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(tǒng)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(xù)專注這一前沿課題，得益于鼓勵原創(chuàng)的舉措。”

從科研“揭榜掛帥”到建立穩(wěn)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(chuàng)新團隊勇闖無人區(qū)提供了支撐。

去年，江俊團隊迎來成果收獲期：開發(fā)了全球首個集閱讀文獻、自主設計實驗、覆蓋材料開發(fā)全流程的機器化學家平臺“小來”。刊發(fā)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(xiàn)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(fā)優(yōu)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。（人民日報）