十年來，我國(guó)科技投入大幅提高，全社會(huì)研發(fā)經(jīng)費(fèi)從1.03萬億元增長(zhǎng)到2.79萬億元，居世界第二位；研發(fā)強(qiáng)度從1.91%提高到2.44%；基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)增至十年前的3.4倍，達(dá)歷史最高值。
其中，“十三五”期間，中央財(cái)政對(duì)基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)的投入增長(zhǎng)了1倍，還首次建設(shè)了13個(gè)應(yīng)用數(shù)學(xué)中心，在物質(zhì)科學(xué)、量子科學(xué)、納米科學(xué)、生命科學(xué)等方面取得了一批重大原創(chuàng)成果。
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破解凝聚態(tài)物理領(lǐng)域重大難題
量子霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理的研究中有著極其重要的地位。但是，在量子霍爾效應(yīng)家族里，有一個(gè)神秘的家族成員——量子反?；魻栃?yīng)，即不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，卻遲遲沒有被人發(fā)現(xiàn)。
2014年4月10日，清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所在北京聯(lián)合宣布：由雙方聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在量子反?；魻栃?yīng)研究中取得重大突破，在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)。
領(lǐng)銜該實(shí)驗(yàn)的中國(guó)科學(xué)院院士、時(shí)任清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤說：“物理學(xué)家認(rèn)為，量子霍爾效應(yīng)家族中也應(yīng)該存在量子反常霍爾效應(yīng)。但如何使其現(xiàn)身并在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到它，成為近些年凝聚態(tài)物理學(xué)家探索的難題之一。”
2006年，美國(guó)斯坦福大學(xué)以及清華大學(xué)教授張首晟領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年提出了在拓?fù)浣^緣體中引入磁性實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的可能性。2010年，中國(guó)科學(xué)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(shè)計(jì)上取得突破，并提出一種磁性離子摻雜的拓?fù)浣^緣體中存在著特殊的鐵磁交換機(jī)制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系。
薛其坤說，要在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)的量子化，需要拓?fù)浣^緣體材料同時(shí)滿足三項(xiàng)非?？量痰臈l件：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦裕瑥亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長(zhǎng)程鐵磁序，從而存在反?；魻栃?yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)，從而對(duì)導(dǎo)電沒有任何貢獻(xiàn)。在實(shí)際材料中，實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿足這三點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來講更是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的研究人員，從2009年開始向量子反?；魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)起沖擊。此后4年時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了超過1000個(gè)樣品，一步步實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性摻雜拓?fù)浣^緣體高質(zhì)量薄膜的生長(zhǎng)、表面電子態(tài)的觀測(cè)，特別是對(duì)其電子結(jié)構(gòu)、磁有序態(tài)和能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，終于在2012年10月觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。
諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧表示，這篇關(guān)于發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的論文，是從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室做出的、具有諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)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(xué)考察研究（以下簡(jiǎn)稱第二次青藏科考）在拉薩啟動(dòng)。第二次青藏科考聚焦水、生態(tài)、人類活動(dòng)，著力解決青藏高原資源環(huán)境承載力、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、綠色發(fā)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(duì)隊(duì)長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)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(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供決策依據(jù)。
2022年5月4日，13名科考隊(duì)員登頂珠穆朗瑪峰，完成“巔峰使命—2022”珠峰聯(lián)合科考，填補(bǔ)珠峰海拔8000米以上研究空白，這在青藏高原科學(xué)考察研究歷史上具有劃時(shí)代意義。至此，已經(jīng)持續(xù)5年的第二次青藏科考，在科研的標(biāo)尺上劃出嶄新刻度。
“‘巔峰使命—2022’珠峰聯(lián)合科考實(shí)現(xiàn)了從登山科考到科考登山的登山模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了從‘我要征服你’到‘我要了解你’的登山思路轉(zhuǎn)變。”姚檀棟說，此次珠峰科考還實(shí)現(xiàn)了如直升機(jī)、無人機(jī)、浮空艇、3D激光掃描儀等新技術(shù)和新手段的應(yīng)用，取得了重要的國(guó)際影響。
總體而言，5年來，第二次青藏科考瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿和國(guó)家戰(zhàn)略，開展跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨區(qū)域的協(xié)同攻關(guān)，聚焦重點(diǎn)區(qū)域，拓展科學(xué)研究和野外考察的廣度和深度，填補(bǔ)了重要區(qū)域戰(zhàn)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(xué)反應(yīng)速率、減少化學(xué)反應(yīng)“副產(chǎn)品”、降低能源消耗……這些“神奇”作用，使催化成為化工生產(chǎn)中的關(guān)鍵一環(huán)。通過催化來精準(zhǔn)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)過程，是科學(xué)家長(zhǎng)期以來追求的目標(biāo)。
然而在學(xué)術(shù)界，很多催化反應(yīng)的機(jī)理至今尚不明晰，長(zhǎng)期以來被視為“黑匣子”。解密這個(gè)“黑匣子”，才能創(chuàng)制出更加高效的催化劑，讓化學(xué)反應(yīng)更加節(jié)能環(huán)保、更加精準(zhǔn)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(jì)90年代，中國(guó)科學(xué)院院士包信和從德國(guó)馬普研究所回到中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從事納米催化的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，追求對(duì)催化過程的準(zhǔn)確理解和對(duì)催化劑的理性設(shè)計(jì)。
包信和團(tuán)隊(duì)先是發(fā)現(xiàn)了碳納米管獨(dú)特的限域特性——碳納米管內(nèi)銠錳催化劑催化合成氣轉(zhuǎn)化為乙醇等碳二含氧化合物的活性比管外更佳。從現(xiàn)象挖掘本質(zhì)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，除碳納米管外，金屬—氧化物界面也能穩(wěn)定配位不飽和的活性中心。這是一種廣義的限域，調(diào)控的是一種電子狀態(tài)，讓催化劑始終保持“吃不飽”的狀態(tài)，讓催化反應(yīng)能夠循環(huán)往復(fù)持續(xù)進(jìn)行下去，這被稱作納米界面限域。
包信和團(tuán)隊(duì)基于納米限域催化概念，實(shí)踐應(yīng)用于煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高選擇性一步反應(yīng)獲得低碳烯烴。
“費(fèi)托合成”過程在煤化工領(lǐng)域有重要地位。這一反應(yīng)要用大量的水去制取更多氫氣，同時(shí)該反應(yīng)還會(huì)產(chǎn)生廢水。包信和團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用納米界面限域概念，穩(wěn)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(diào)變中間體小分子在分子篩中偶聯(lián)的選擇性，從而對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。
這種催化，實(shí)現(xiàn)了高活性和高選擇性的雙贏?；谛赂拍畹霓D(zhuǎn)化路徑，可以實(shí)現(xiàn)低耗水進(jìn)行煤轉(zhuǎn)化，為我國(guó)的能源革命提供了有力支撐。
基于該項(xiàng)創(chuàng)新成果，研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)工程院院士劉中民團(tuán)隊(duì)及陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司合作，建成世界首套千噸級(jí)規(guī)模的煤經(jīng)合成氣直接制低碳烯烴工業(yè)試驗(yàn)裝置，并于2020年成功完成全流程工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性和先進(jìn)性。
首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)人工合成淀粉
2021年9月24日，《科學(xué)》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)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(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的人工從頭全合成，這屬于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大突破。
據(jù)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(chǎn)生的氫氣為原料，成功生產(chǎn)出淀粉，使淀粉生產(chǎn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)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(jìn)行合成。在玉米等農(nóng)作物中，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸凵婕凹s60步的代謝反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控，太陽能的理論利用效率不超過2%。農(nóng)作物的種植通常需要數(shù)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(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)馬延和所說，長(zhǎng)期以來，科研人員一直在努力改進(jìn)光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率。
為解決這一難題，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究人員從頭設(shè)計(jì)了11步主反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)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(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。
在充足能量供給的條件下，按照目前的技術(shù)參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于我國(guó)5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。這一成果為二氧化碳原料合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線。
兩系法開啟雜交水稻新紀(jì)元
如果說三系法雜交水稻為中國(guó)開啟了自己養(yǎng)活自己的時(shí)代，那么兩系法雜交水稻則為中國(guó)開啟了更高產(chǎn)、更優(yōu)質(zhì)、更高效的雜交水稻新紀(jì)元，確保了我國(guó)雜交水稻技術(shù)的領(lǐng)先地位，并推動(dòng)了世界雜交水稻的快速發(fā)展，對(duì)遺傳育種學(xué)科發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。
2014年1月10日，由中國(guó)工程院院士袁隆平領(lǐng)銜攻關(guān)的“兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得了國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。
從三系法到兩系法，僅一字之別，卻帶來了雜交水稻技術(shù)的飛躍。
湖南雜交水稻研究中心牽頭并組織全國(guó)多單位、多學(xué)科針對(duì)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(jīng)過20多年的協(xié)作攻關(guān)，圍繞光溫敏核不育系育性轉(zhuǎn)換機(jī)理、實(shí)用光溫敏核不育系創(chuàng)制、兩系雜交稻組合選育技術(shù)、安全高效繁殖制種技術(shù)等進(jìn)行深入研究，創(chuàng)立了實(shí)用光溫敏核不育系選育理念、鑒定技術(shù)、核心種子與原種生產(chǎn)技術(shù)；建立了不育系高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)繁殖、安全高產(chǎn)制種技術(shù)體系；解決了雜交水稻高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)、早熟難協(xié)調(diào)的技術(shù)難題，突破兩系雜交粳稻育種與種子生產(chǎn)技術(shù)瓶頸；育成了兩用不育系170個(gè)、配制了兩系雜交水稻組合528個(gè)，并實(shí)現(xiàn)了大面積推廣應(yīng)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(yōu)勢(shì)利用進(jìn)入一個(gè)新階段，帶動(dòng)和促進(jìn)了我國(guó)油菜、高粱、棉花、玉米、小麥等作物兩系法雜種優(yōu)勢(shì)利用的研究與應(yīng)用，為現(xiàn)代作物遺傳育種學(xué)科的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。
通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓與合作，兩系法雜交水稻技術(shù)已在美國(guó)推廣應(yīng)用，并較當(dāng)?shù)刂髟云贩N增產(chǎn)20%以上。兩系法雜交水稻為我國(guó)種業(yè)開拓國(guó)際市場(chǎng)，參與國(guó)際種業(yè)科技競(jìng)爭(zhēng)提供了核心技術(shù)支撐。
標(biāo)簽： 基礎(chǔ)研究
