黑箱子裏撞出“世界第一”……上海三大科技成果問鼎國家科技獎“三大獎項”_風聞

　　圖源：新華社

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　　上海首次同時牽頭獲得國家自然科學獎、國家技術發明獎和國家科學技術進步獎“三大獎”高等級獎項。

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　　這是2000年以來，上海牽頭獲得國家一等獎數量最多的一年，，也是上海首次在“三大獎”高等獎項中實現“金花齊放”。

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　　具有重大意義的“前沿”科學發現和“硬核”技術發明頻現。黑箱子裏撞出“世界第一”、30餘載耕耘水稻田頭、高端磁共振“國產化”，讓我們一起走進他們的故事。

　　11月3日，2020年度國家科學技術獎在京揭曉。上海共有48項牽頭或合作完成的重大科技成果獲獎，佔全國獲獎總數的17.45%。其中，上海牽頭完成25項，佔獲獎項目總量的52.08%，展現出上海不斷進取的科技精神。在這些獲獎團隊中，有一生只做一件事的科學家，也有關心農民錢袋子的科研者，還有聚焦材料技術創新的發明家……他們用自己的專業和專注，影響着我們每一個普通人的生活，用創新之力推動產業進步。

　　讓我們走進2020年國家自然科學一等獎以及科技進步獎一等獎的團隊和項目帶頭人，看一看，在上海不斷深化國際科技創新中心建設的過程中，他們是如何用自己的力量，為這座科技創新之城提升科創策源功能“硬實力”和創新生態環境“軟實力”添磚加瓦的。

　　在化學世界裏“造孔”

　　國家自然科學獎一等獎：

　　《有序介孔高分子和碳材料的創制和應用》

　　中國科學院院士、復旦大學化學系教授趙東元自稱“造孔之人”，他形容自己的研究“相當於拿個鑿子，在你們看不到的微觀世界裏造孔”。從事化學研究23年來，趙東元的科研生涯始終專注功能介孔材料研究。“我一輩子就做了這個事，”他笑稱，“也只會做這個事。”

　　2021年11月3日，國家科學技術獎公佈。趙東元、李偉等人完成的《有序介孔高分子和碳材料的創制和應用》項目獲得了自然科學一等獎。該項目原創性地提出了“有機-有機自組裝”思想，創制了有序功能介孔高分子和碳材料，揭示了介孔獨特的物質輸運和界面反應規律。

　　這也是時隔18年後，上海再一次獲得國家自然科學獎一等獎。

　　“拍腦袋”創造的研究新方向

　　“介孔材料是一種多孔材料，孔徑在2～50納米。而功能化介孔材料，是將介孔材料改性而使其具有不同的功能。”趙東元介紹，介孔材料是20世紀發展起來的嶄新材料體系，具有規則排列、大小可調的孔道結構及高的比表面積和大的吸附容量，在大分子催化、吸附與分離、納米組裝及生物化學等眾多領域具有廣泛的應用前景。 

　　1998年，35歲的趙東元結束在美國加州大學聖芭芭拉分校的博士後工作回到復旦大學，此後便一直專注功能介孔材料研究。

　　當時，學界關於介孔材料的研究都集中在無機材料的研究上，很少有人想到有機化學。氧化硅、金屬氧化碳等材料都是當時介孔材料研究的產物。但這類材料普遍有一個通病：脆性大、密度高，加工起來非常不容易。

　　2000年，在復旦大學邯鄲校區化學西樓,趙東元突發奇想，做了這麼多年無機介孔材料，能不能創造一種有機的高分子材料，又軟又輕又好用，還能在國民經濟中創造出非常高的價值？正是這個念頭，創造了介孔材料研究的一個新方向。

　　“這完全是我拍腦袋想出來的。”趙東元説，雖然“拍腦袋”，但創新是一個科學工作者，尤其是基礎研究工作者的基本素質，探索自然規律，靠的就是好奇心，要的就是這種“憑空”想象。

　　當然，科學家的“拍腦袋”和普通人也不一樣。趙東元敢這樣“拍腦袋”，靠的還是他自己在介孔材料研究上的積累。多年的研究積累讓他對介孔材料的特性瞭如指掌。對於介孔材料有了相當的直覺。“這麼多年，我們還是有底氣的。”

　　這個念頭一出，一次長達5年的團隊實驗接龍就此展開。

　　在黑箱子裏亂轉

　　沒有前人的足跡可循，沒有他人的論文可參考，一切必須自己想辦法。趙東元這樣形容自己團隊最初開始研究的場景：“整個合成就像一個黑箱一樣，你根本不知道該怎麼做，會產生什麼。”

　　儘管如此，基於對介孔材料結構的熟悉，對介孔材料形成過程的深刻理解，趙東元始終相信，有機高分子介孔材料合成這條路一定走得通。

　　剛開始接觸這個課題的時候，即便擁有聰明的大腦和勤奮雙手的復旦學生，也苦不堪言。團隊成員孟巖在自己的博士論文《有序的有機高分子介孔材料合成與結構》中寫道:起初，實驗怎麼也做不出介孔，做出的全都是抱團的納米粒子……

　　有時候成功和失敗之間就隔着一張紙，捅破了，一切就很簡單，但如果不捅破，就得在漫無邊際的高分子種類中尋覓，一次次試錯。經歷了數不清的失敗後，不斷有學生從課題組離開。趙東元唯一能做的，就是安慰學生，幫助他們從失敗中總結經驗。

　　“失敗真的太多了，壓力也非常大，”趙東元有些無奈，“看到其他學生不斷有成果出來，學生自己壓力很大，我也只有不斷地鼓勵他們。”

　　也許一次次的失敗真的能夠創造奇蹟。

　　2003年10月7日深夜，剛從復旦歷史系轉到化學系的顧棟正在實驗室裏忙碌着，緊張地等待着實驗數據。當天，他嘗試用一種反常規的方法進行實驗。沒想到，正是打破常規，讓實驗組最終捅破了通向成功的那張紙。

　　“顧棟非常聰明，他提出把高分子先聚再合成的做法，一下子把步驟從5個簡化成2個。”趙東元在學生的啓發下打開了思路。接下來2個月，大家緊鑼密鼓、調節參數、測試分析，年底就基本得到了所有數據。 

　　2005年，趙東元在《德國應用化學》(Angew Chem)上發表文章，在“有機-無機自組裝”的基礎上首次提出“有機-有機自組裝”的新方法，並將實驗方法公之於眾。經過12年的探索，2017年，趙東元又在此基礎上完成了有序介孔高分子和碳材料的創制。至今吸引了60多個國家和地區的1500餘家科研機構跟蹤研究，利用相似的方法研究介孔高分子、碳材料等，發表論文4萬多篇。國際ISI Web of Science公司還將趙東元列為近十年100名引用率最高的化學家之一。

　　趙東元的課題組也一下“活”了。成員們基於該項目成果發表論文200多篇，被引用30000餘次。這個先驅性質的團隊吸引了不少優秀的青年研究者，由十多人的團隊擴展至近百人，這次的獲獎名單中除了趙東元這個“60後”，還有兩個“70後”，一個“80後”。

　　天生我“材”必有用

　　説起科學研究，很多人都覺得科學和應用相隔甚遠。趙東元並不這麼認為。

　　“化學是離工業最近的一門基礎學科，很多研究成果都能實現轉化。”趙東元相信天生我“材”必有用，既然能創造出這個結構的材料，那麼肯定會能找到它的用途，哪怕目前來看還太昂貴。

　　如何將自己的科學成果轉化為實際應用一直是趙東元的課題之一。這幾年，經過不斷壓縮成本，趙東元團隊的科研成果已經能投入到工業化生產中，開展大規模製備。例如，介孔材料作為催化劑，可以大大提高重油轉化效率，全國推廣後每年可為中石化增產約150萬噸的高質量油品。介孔碳和介孔高分子定向合成、噸級生產後，還被運用於超級電容器，在北京奧運會的LED路燈和上海世博會的電動汽車上進行了應用。此外，在生物檢測、環境處理、電子材料等方面，介孔材料都得到了廣泛應用。

　　儘管如何讓介孔材料飛入尋常百姓家仍然是個懸而未決的問題，但趙東元對此也有一番自己的設想。介孔材料在工業上已經作為絕緣隔熱材料的應用，將來是不是也可以應用到衣物上？比如用納米孔製做衣服，既輕薄，保暖性又強。

　　“將來，我們的衣服可以像面霜一樣，塗在身上，薄薄一層，就能完全隔熱，零下30度都不怕！”趙東元興奮地説道。

　　護住水稻保護研究利用的“根”

　　國家科技進步一等獎：

　　《水稻遺傳資源的創制保護與研究利用》

　　江南的稻田裏，稻子上已經掛滿了金黃的稻穗，農民又迎來了豐收的季節。上海市農業生物基因中心首席科學家羅利軍和他團隊主持的《水稻遺傳資源的創制保護與研究利用》項目也有了新的收穫，獲得了國家科技進步獎一等獎。

　　説起自己和團隊20多年從事水稻研究，羅利軍説裏面沒有什麼值得講述的故事，有的只是水稻研究者腳踏實地的本分：“國家需要什麼，我們就往哪裏去。”

　　建立水稻“種質資源庫”

　　在上海市農科院，有一個“種質資源庫”。在這個“種質資源庫”裏，高高的貨架一直延伸到天花板上。架子上，一個個鋁箔袋裏裝滿了各種各樣的種子。每份種子上都標註着它們的身份信息。專業人員能夠從“種子身份證”中輕鬆識別各種信息：來自何方、是何種類、有何特殊之處等。而這些種質資源，都是這20多年來，羅利軍和他的團隊共同收集而來。

　　為何種質資源如此重要？“種質資源是農業的芯片。”在羅利軍看來，種質資源上存儲着水稻的遺傳密碼，是培育優良品種的關鍵。而如今國內水稻研究的瓶頸，恰在於關鍵資源的發掘量不夠。

　　在收集水稻種質資源的過程中，羅利軍和團隊奉行“拿來主義”。外出考察，看到好的，立馬就拿回來。

　　通過種質庫內的“種質資源實物庫和數據管理系統、庫位管理系統和用户管理系統（一庫三系統）”，收集回來的種質資源將在這裏完成鑑定、種子處理、入庫貯存、安全監測到分發利用，進行高效管理和安全保存。

　　20年間，羅利軍和他的團隊共收集到水稻遺傳資源20餘萬份，使我國水稻遺傳資源保存量增加130%以上，豐富了我國水稻遺傳資源，讓我國稻種質資源的保有量居世界首位。

　　科研人員還系統地開展種質資源的鑑定評價與創新，構建了源於26個國家的水稻分子育種骨幹親本羣體；創制了我國主要稻作區主栽品種遺傳背景的多親本導入系4萬餘份和用於高產優質多抗基因挖掘的遺傳作圖羣體60個。優異資源廣泛應用於我國水稻品種選育和基礎理論研究之中，資源共享利用8萬餘份次，克隆一批重要基因，育成327個新品種。 

　　培育節水抗旱稻

　　沒水也能種水稻？對於常人來説，這大概是違背常識的一件事，但羅利軍和他的團隊卻把這件事變成了現實。

　　在收集保存水稻種質資源的過程中，羅利軍開始思考一個問題，能不能利用種質資源培育出大量減少淡水需求的新品種？這麼想着，他和團隊成員就這麼做了。

　　羅利軍與他的團隊曾主持過國家水稻資源攻關研究。在研究過程中，他們發現，水稻是用水大户，我國是貧水大國。乾旱，使佔我國70%以上的中低產田水稻大幅減產，每年稻穀損失慘重。“不僅如此，”羅利軍説：“由於農藥化肥的使用量不斷增加，水稻種植帶來越來越嚴重的污染。”要同時解決這些問題，節水抗旱稻的研究十分必要。

　　然而，要想培育中節水抗旱稻，並非易事。在水稻育種的過程中，一直存在優質與高產、高產優質與節水抗旱等優良性狀難以兼顧的難題，想要讓水稻既“高產優質”，又“節水抗旱”，十分困難。

　　為了解決這一問題，羅利軍團隊利用種質庫的資源，建立了基於擴大遺傳基礎的種質創新和品種選育技術,發現並克隆了50餘個抗旱相關基因。

　　羅利軍團隊通過聚合旱稻品種的抗旱性與水稻品種的高產優質特性，先後育成秈型、粳形、雜交和常規四個系列的節水抗旱稻。讓水稻既可以在水田裏節水栽培，又可以像小麥一樣在旱地裏種植。進一步把水稻種植的範圍覆蓋到更乾旱的北方，更廣闊的山區，讓水稻再不是魚米之鄉的專利。這下，農民種水稻再也不怕濕了鞋。羅利軍説：“傳統水稻品種如果遭遇乾旱，幾天可能就枯死了，節水抗旱稻卻不會，只要給點雨水，它們就又生機勃勃了。”

　　為了驗證節水抗旱稻的真實抗旱能力，羅利軍和團隊在海南試驗田裏擺下棋盤陣。在經歷了一段時間的乾旱之後，遠遠望去，試驗田就像一個黃綠間隔的巨型棋盤。普通水稻品種已經枯黃，而節水抗旱稻卻依舊綠意盎然。

　　相比傳統水稻，節水抗旱稻在不降低產量和米質的前提下，生產過程中的灌水量減少了53.3%，化肥施給量減少47.7%，大幅度地減少農業面源污染。其中，總氮和總磷的排放分別減少69.0%和36.6%，農藥減少80%以上，大幅度減少碳排放，實現了“資源節約、環境友好、農田增值、農民增收”的綠色農業生產目標。

　　“實際上我們現在有飯吃，水稻的貢獻是很大的。”和水稻相伴了30多年，羅利軍和團隊成員針對不同生態地區的實際需求，育成了71個水稻新品種。其中，黑龍江農科院綏化分院選育的綏粳18號為我國水稻年種植面積最大的品種，年推廣面積超過了1000萬畝。但羅利軍仍不滿足，因為在他看來，水稻研究關係到每個人的飯碗，比起經濟效益，更看重社會效益。他的眼睛，還緊緊盯着雲南、新疆，那些吃不到優質大米的地方，想着幫着農民增產增收。

　　中國成功自主研發高端磁共振設備

　　國家科技進步一等獎：

　　《高場磁共振醫學影像設備自主研製與產業化》

　　説起核磁共振，大部分人都不會陌生。躺進診療艙，在磁場內停留數十分鐘，身體相關的各種影像資料就能被這台醫學“掃描儀”記錄，幫助醫生獲悉病情。

　　如今，以磁共振為代表的大型診斷醫學影像設備將迎來一次大更新，變得更快更強。

　　上海聯影醫療科技股份有限公司與中國科學院深圳先進技術研究院聯合完成的《高場磁共振醫學影像設備自主研製與產業化》將使醫學“掃描”變得更快捷，讓病人花更少的時間，獲得更清晰更準確的醫學影像。

　　數據“採得少”了，影像卻“快了”“準了

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　　對於一台磁共振診斷醫學影像設備來説，是什麼決定了這台醫學“掃描儀”的影像質量？答案是場強。場強決定了磁共振性能的好壞，而越高場強往往帶來更高清質量的圖像。

　　儘管高場磁共振具有高分辨率、多參數、高對比和無輻射等優勢，據聯影項目負責人介紹，由於超導磁體研發難度大，成像電子學門檻高，涉及學科門類繁多，技術體系精密複雜，研發難度極大。在此之前，我國高端影像設備國產率不足5%，最高端的3T磁共振則100%依靠進口。高昂的設備費用也導致我國百萬人口磁共振擁有量不足美日等國十分之一。

　　經過十多年的聯合攻關，如今，我國成功研製出了首台3.0T高場磁共振設備。相比以往的設備，3.0T高場磁共振設備數據“採得少”了，但是卻“採得快”了，“採得準”了。

　　針對以往磁共振醫學影像設備用時長，用户體驗不佳的情況，聯影團隊創造性地提出了基於多層次先驗的非線性快速成像新方法，發明了深度稀疏表達、細節保持及暫能重建新技術，使3.0T高場磁共振設備可以在數據“採得少”的前提下，實現最高16倍加速的高保真快速成像，縮短“掃描”時間，讓成像變得更快。

　　同時，3.0T磁共振成像設備還突破了高場超導磁體制造工程技術，發展出了強約束多物理場優化設計方法，突破百公里級鈮鈦超導線連接與繞制、主動屏蔽與勻場等磁體工程工藝，使磁場均勻度達1.2ppm，確保了磁共振信號能夠“採得準”。

　　讓技術惠及醫學研究和病人

　　以磁共振為代表的大型尖端醫學影像設備是臨牀醫學診斷的必備工具，可以從結構、功能等多個層面對人體內部組織進行深入細緻的觀察與分析，是心腦血管神經和腫瘤等多種重大疾病影像診斷的金標準，而高場磁共振醫學影像設備的研發和生產，將最終惠及醫學研究和病人。

　　如今，聯影與中科院深圳先進院合作，共同承擔一系列國家級、省部級重大科研項目，並在5.0T磁共振、7.0T磁共振等超高場磁共振系統以及磁共振引導超聲治療、心腦血管疾病早診領域進行探索。同時，在中國科學院的支持下，兩院正積極組織開展我國14T極高場磁共振成像核心技術預先基礎研究。未來有望提供微米級成像分辨能力和多核功能成像能力，為腦科學等重大前沿科研需求提供更精細的腦結構和腦功能成像等先進技術。

　　聯合復旦大學附屬中山醫院、中國人民解放軍總醫院等三甲醫院，聯影率先建立了腦中風、心臟病和微小腫瘤“既快又清”定量磁共振成像診斷方法，實現了重大疾病診斷新技術的臨牀推廣應用。實現了高時空分率實時心臟成像、肝臟灌注和腦血管斑塊成像，形成臨牀指南並納入國際影像專家共識。

　　2020年聯影磁共振國內增量市場佔有率排名第一，幫助國產磁共振國內市場佔有率從2013年14%提升至41%。此外，聯影磁共振同時逆向輸出至美國、歐洲、印度等多個國家，使我國由淨進口國轉變為出口國，打破了跨國公司在該領域長達30多年的統治格局，重構了該領域國際產業格局。

　　國內高場磁共振醫學影像設備自主研發實力的增強，也迫使進口同類產品大幅降價，讓更多的醫院買得起設備，從而滿足我國億萬民眾健康需求，帶動高端醫療裝備製造行業發展。

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　　中青年科學家逐步挑起大梁

　　上海首次同時牽頭獲得“三大獎”高等級獎項。2020年度，上海在國家自然科學獎、國家技術發明獎和國家科學技術進步獎“三大獎”上，牽頭獲得4項一等獎，佔全國的17.39%，這是2000年以來，上海牽頭獲得國家一等獎數量最多的一年，也是上海首次在“三大獎”高等獎項中實現“金花齊放”。

　　具有重大意義的“前沿”科學發現和“硬核”技術發明頻現。在表彰作出重大科學發現成果的國家自然科學獎上，本市科研團隊的9項基礎研究成果獲獎，佔全國的19.6%。其中，復旦大學趙東元院士團隊獲得的國家自然科學獎一等獎，這是我國對基礎研究成果的最高肯定，也是上海時隔18年再獲此殊榮。在注重考慮首創性和實用性的技術發明獎上，本市也獲獎9項，佔全國的14.8%，其中牽頭1項一等獎。自2014年以來，上海佔全國獲自然科學獎的比例首次超過科技進步獎，經過多年來持續不懈營造良好科研環境、加大基礎研究支持力度和人才團隊培育，上海面向世界科學前沿的原創能力不斷提升，正持續湧現具有影響力的前瞻性和理論性的高質量成果。

　　在此次國家科學技術獎獲獎者中，湧現一批優秀中青年科學家和女科學家。上海22項牽頭完成的通用項目中，第一完成人年齡小於45歲的有3位，佔比13.64%；介於46～55歲之間的有9位，佔比40.91%；56～65歲有10位，佔比45.45%。此外，由女性科學家牽頭的項目有4項。

　　獲獎成果的科研攻關時間普遍超過十年。“十年磨一劍”的潛心研究是獲獎成果的普遍規律，也是科研人員工作的真實寫照。從人才隊伍看：老中青相結合的科研團隊，中青年科學家逐步挑起大梁，既傳承科學精神，又彰顯創新活力。比如，《水稻遺傳資源的創制保護和研究利用》（國家科學技術進步獎一等獎）與《限域反應構建晶態能量轉換材料及調控機制》（國家自然科學獎二等獎）均歷時長達21年。

　　基礎性學科和大健康領域具備優勢。48項獲獎成果中，化學科學、材料科學、生物學各2項，數學和基礎醫學各1項，近兩年上海在上述基礎性學科獲獎14項。在與人民生命健康相關的藥物與生物醫學工程、內科與預防醫學、外科與耳鼻咽喉頜、農業、養殖和食品安全等領域，上海獲2項一等獎（均為牽頭）、11項二等獎（6項牽頭），占上海獲獎總數的27.1%。特別是上海市農業生物基因中心牽頭完成的《水稻遺傳資源的創制保護和研究利用》、上海聯影醫療科技有限公司牽頭完成的《高場磁共振醫學影像設備自主研製與產業化》雙雙獲得國家科技進步一等獎，一定程度表明在作物遺傳育種、醫療器械等新興領域，上海正湧現新的優勢學科和創新型標杆企業。

　　作者／IT時報見習記者  範昕茹

　　編輯／王昕、挨踢妹 

　　排版／季嘉穎

　　圖片／採訪對象、新華社

　　來源／《IT時報》公眾號vittimes