【人民日报】目标导向，牵引基础研究

包信和院士在调试气氛扫描隧道显微镜。谢震霖摄

江俊（右）和团队在调试机器化学家的操作精度。张大岗摄

王博在观察多孔材料晶体。北京理工大学供图

　　加强基础研究，是实现高水平科技自立自强的迫切要求，是建设世界科技强国的必由之路。近年来，我国坚持目标导向和自由探索并举布局基础研究，取得了一批重大原创成果。

　　当前，不论是攻克“卡脖子”难题，还是开辟发展新领域新赛道、不断塑造发展新动能新优势，都更加需要将目标导向和应用牵引摆在更重要的位置，从经济社会发展和国家安全面临的实际问题中凝练科学问题。

　　目标导向如何牵引基础研究，与产业应用有什么关系，如何让目标导向基础研究越做越好？记者走进北京、大连、合肥等地的科研团队，在创新故事中探寻答案。

　　实现煤炭清洁高效转化，大连化学物理研究所包信和院士团队——

　　明确攻关方向

　　另辟应用赛道

　　在陕西榆林，一套低碳烯烃工业试验装置备受产业界关注。“从合成气一步生产烯烃，这是全球首套。”潘秀莲有些自豪。

　　潘秀莲是中科院大连化学物理研究所研究员、包信和院士团队成员。她曾在大连实验室和榆林之间频繁奔波，对这套装置分外有感情：“这是在理论基础上结出的果实，团队为此努力了20多年。”

　　烯烃是重要的基础化学品，主要从石油中提炼。我国贫油、少气，煤相对丰富，以煤为原料直接制备烯烃，有助于减轻对进口石油的依赖。

　　过去近百年，煤制烯烃普遍采用费托合成技术。然而，受限于作用原理，费托路线制低碳烃的选择性理论极限只有58%，且生产过程耗水、耗能高，还释放大量二氧化碳，无法做到煤炭清洁利用。

　　有没有方法突破选择性极限，实现一步高效制取低碳烯烃？“实现煤炭清洁高效转化很重要，科技要为国家重大需求提供支撑。”中科院院士包信和立志攻关。找准科学问题，明确攻关方向，他带领团队，通过表界面结构调控的方法催化机理，提出了“纳米限域催化”新概念。经验证，该理论具有较强解释力，催化反应的神秘面纱逐渐被揭开。

　　由此出发，他们创制了一种新型催化剂体系，从原理上摒弃传统费托合成路线，实现了高选择性一步制取低碳烯烃。

　　探索历程并不平坦。很长一段时间内，反应机理与催化过程的验证实验总得不到理想的结果。问题出在材料、方法还是操作上？许多琐碎但关键的问题困扰他们。

　　用新路线制备烯烃，还得过“经济关”，企业才有积极性，这对催化效率提出了更高要求。包信和团队成员、大连化物所研究员傅强花费了大量时间，钻研、阐释催化机制。为更好观察催化现象，他设计了一些新仪器并发展了系列新方法，带领团队做进一步研究。

　　“从0到1”的大突破，往往来自许多“从0到1”的小积累。回顾20多年科研历程，包信和表示，“煤制烯烃新路径目标，驱动着团队解决一个个困难。”

　　“基础研究有的放矢，成果推向应用就会有扎实的成效。”包信和说。确信新技术路线可行后，包信和团队与大连化物所刘中民院士团队以及陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，建成了世界首套千吨级规模的煤经合成气直接制低碳烯烃工业试验装置。

　　业界专家评价，该技术迈向产业化，将为我国进一步摆脱对原油进口的依赖，实现煤炭清洁利用提供一条新路线。“这个点子为什么我们没先想到？”了解包信和团队思路后，德国某著名跨国化学公司的资深专家感慨。

　　2019年，该装置完成单反应器试车，低碳烯烃选择性优于75%；2020年成功完成工业全流程试验，正加速工程化转化和工业示范……从实验室到工厂，“纳米限域催化”研究实现了从基础研究到应用工程的跨越。

　　“在实验室，催化剂可能只需1克，在工厂工业试验，催化剂则要1吨。任何一个环节微小的差异，都可能给示范项目造成很大损失。”潘秀莲说，工业试验项目进展顺利，得益于不同团队的协同攻关，也源于扎实的基础研究，“对催化机理了解越清楚，做工程应用自然就越有信心。”

　　开发新型材料，北京理工大学王博团队——

　　瞄准产业痛点

　　推进基础研究

　　去年10月，国际期刊《科学》刊发报道：北京理工大学王博教授团队开发的一种新型功能多孔材料，能够大幅提高燃料电池功率密度，有望破解氢能规模利用的关键难题。

　　氢燃料电池功率上不去，源头在燃料电池催化层气固液三相界面中质子导通受阻以及气、水输运不畅。攻克这一应用堵点，提高催化层的传质效率是突破口——这相当于为化学反应建设一条通畅的道路。

　　受制于材料，电化学反应的“路”要么太窄，要么太堵，路况也不好。“卡在催化层，就像路修到了镇上，却因为村里还是山路、土路，车子开不进去。”王博说，团队的工作就是要在“村”里修高速路。

　　功能多孔材料，特点是内部有“孔”，就像纳米尺度的蜂巢一样，比表面积大。全部展开，1克材料可以覆盖一个标准足球场。突破传统材料束缚，王博团队首次构筑燃料电池多孔离聚物。经实验测试，应用于催化层，显著降低氧气传质阻力，使商业铂碳催化剂的质量活性和燃料电池的峰值功率密度均提高1.6倍。

　　产业痛点明确，其他科学家也在研究功能多孔材料，为什么王博团队能实现突破？

　　“这源于团队对材料的深刻理解。”王博聊起攻关历程。近20年积累，在孔道结构设计、客体分子与孔内界面相互作用调控、孔内物质传输机制等方面，团队攻克了一系列关键问题。

　　基础研究扎得牢，应用需求摸得清，团队才能够针对关键问题设计并研制出想要的材料。像氢燃料电池一样，发现产业应用中的痛点，从基础上找源头、找答案，王博团队解决了不少问题。比如，团队开发的功能多孔材料已经应用到海水淡化、生物杀菌、氢气纯化等领域。

　　近年来，王博团队瞄准产业“卡脖子”难题，开拓功能多孔材料应用。破解产业问题，反过来也牵引基础研究发展。“发现新用途后阐释背后机理，或者为了特定用途开发新材料，都推动基础研究向前。”在王博看来，“解决产业难题和推进基础研究，两者相互促进。”

　　“科研不是孤芳自赏，要解决真问题。”王博认为，目标明确的基础研究，是在强约束下做科学探索，“必须用新办法突破鱼与熊掌不可兼得的困境，而关键创新往往正是来自这样需求具体、边界清晰的问题。”

　　探索基础前沿，兴趣驱动力不可少；瞄准特定目标，个人又要为团队服务。经过多年实践，王博团队走出了一条“特种兵”与“尖刀连”相结合的基础研究组织模式。

　　“‘特种兵’长期‘埋伏’在特定领域，锤炼自己的专长，团队不干涉个人兴趣。发现了重大需求，大家组织在一起就是‘尖刀连’，战略上方向统一，战术上各展所长，形成一个‘形散神不散’的突击队。”王博解释。

　　团队中，王璐专注于电催化研究，她既是该方向的“特种兵”，又是氢燃料电池科学攻关“尖刀连”的一员。如今，她正着力钻研催化剂如何高效促进氧气变成水——这是氢燃料电池规模应用中另一个关键科学问题。

　　服务国家重大需求和经济社会发展，基础研究需要“从0到1”的工作，也需要聚焦“四个面向”战略要求。王博认为，两者并不矛盾。今天，面对重大科学问题，多学科交叉融合攻关是大势所趋。王博团队正与北京大学、清华大学、中科大等合作，协同在一些关键问题上攻关，为产业发展筑牢基础。

　　探索智能化学，中国科学技术大学江俊团队——

　　人工智能助力

　　前沿探索加速

　　走进中国科学技术大学机器化学家实验室，一种化学研究新模式让人眼前一亮：这里没有忙前忙后的科研人员，多数工作由一台机器人完成。它穿梭于操作台间，伸出机械手臂，灵活配制试剂，不仅能根据指令操作实验，还会自主思考实验步骤和方案。

　　“我们的‘小化学家’拥有‘超强化学大脑’。”实验室负责人、中科大化学物理系江俊教授一脸自豪，“从数百万材料的可能组合中找到最优解，科学家一生都做不完，有了机器‘化学家’，找到备选结果，可能只需要一两周。”

　　传统化学研究靠“穷举”“试错”等手段，效率不高，而且随着研究对象日益复杂，科研人员越来越难找到合适的材料组合，成为现代化学工业发展的瓶颈。

　　科学家畅想，借助人工智能开发新工具。但一来缺少高质量训练数据，二来懂计算机的不精通化学，学化学的又多数对计算机陌生。

　　瞄准这一前沿课题，2014年起，江俊带领一支涵盖化学、计算机、数学的跨学科团队，采用信息学工具大规模采集数据、搭建模型，打磨出我国第一代材料科学知识图谱。

　　模型有没有用，要在实验中做进一步验证，这意味着更大的投入。正当江俊犯愁时，中国科学院发布的揭榜挂帅项目帮了大忙。

　　2021年初，中科院对外发布了当年基础前沿和关键核心技术中的重大科学问题清单。“数据驱动的化学、材料和生物科学的机器科学家”便是46个项目之一。

　　江俊鼓起勇气申请揭榜，没想到申请时只需写清楚研究的价值、方法等要点。“只写了两页纸，是我写过最简单的项目申请。”江俊说。

　　经过评审，江俊团队获得专家认可。从2021年到2025年，连续5年共稳定支持2000万元，其间无需考核。经费使用也比较自由，完全根据科研实际需求，自行制定年度预算。

　　“探索化学和人工智能结合”，是2020年度国家自然科学奖基金项目指南的一个方向。看中江俊团队的研究前景，基金委先后给予了“杰出青年基金项目”和“重点项目”支持。按以往统计，同一年内，从未有过科研人员同时获得这两项支持，为了加速推动研究，基金委以大魄力开了“先例”。

　　中科大的人才支持政策帮助也很大。“学校没有科研考核、漫长的评审和论资排辈，只要研究有‘品位’，就有施展才华的舞台。”江俊说，“团队持续专注这一前沿课题，得益于鼓励原创的举措。”

　　从科研“揭榜挂帅”到建立稳定支持机制，从破除“四唯”到为青年人才减负……近年来，科研体制改革不断深入，为创新团队勇闯无人区提供了支撑。

　　去年，江俊团队迎来成果收获期：开发了全球首个集阅读文献、自主设计实验、覆盖材料开发全流程的机器化学家平台“小来”。刊发该成果论文的期刊《国家科学评论》评价，研究“将对化学科学产生巨大影响”。

　　拥有“超强化学大脑”的“小来”正在展现它的价值。中科大教授邹纲专注于光学薄膜材料研究，想找到对比度G因子更高的材料组合，依赖人工一一验证需要几十年。借助“小来”，科研人员仅用10多天时间，就从上千万种的配比选择中找出了20多种材料组合。经验证，机器推荐的材料组合的对比度G因子接近理论极限，为开发优质薄膜材料开辟了新方法。

　　到火星上如何生产氧气？江俊透露，科研人员近期正开展相关前沿研究，其中就用到了“小来”的智能化学分析能力。“未来人类移民火星，可能就得带上‘小来’呢。”江俊说。

　　（原载于《人民日报》 2023-04-10 13版）