6月24日，全國科技大會、國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會和中國科學(xué)院第二十一次院士大會、中國工程院第十七次院士大會隆重召開。2023年度國家科學(xué)技術(shù)獎共評選出250個項目和12名科技專家。獲獎?wù)邆冨^定科技強國建設(shè)目標，堅持“四個面向”、勇攀科技高峰，努力為中國式現(xiàn)代化建設(shè)貢獻力量。
根據(jù)國家科學(xué)技術(shù)獎勵工作辦公室的推薦，我們采訪了部分獲獎項目的完成人，介紹這些成果取得的重要突破，展示科研人員矢志創(chuàng)新、加快實現(xiàn)高水平科技自立自強的風(fēng)采。
——編者
國家自然科學(xué)獎一等獎“拓撲電子材料計算預(yù)測”
打開認識物質(zhì)世界的新視角
本報記者 吳月輝
國家自然科學(xué)獎一等獎是我國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎項，在科技界備受矚目。
在日前揭曉的2023年度國家科學(xué)技術(shù)獎中，中國科學(xué)院物理研究所所長、中國科學(xué)院院士方忠團隊的拓撲電子材料計算預(yù)測項目獲得這一殊榮。
長期以來，方忠團隊致力于凝聚態(tài)物質(zhì)中新奇量子現(xiàn)象的計算與理論研究。
“凝聚態(tài)物理主要是研究物質(zhì)的各種狀態(tài)。”方忠說，“以前，大家認為所有物質(zhì)的狀態(tài)都可以用對稱性來描述。但事實并不是完全如此。這次獲獎項目的重要意義就在于使得我們認識到物質(zhì)世界還有一大類物態(tài)需要用拓撲這個概念來描述，我們稱之為拓撲物態(tài)?？梢哉f，這兩大類加起來才是所有物質(zhì)的狀態(tài)。這極大拓展了我們的認知邊界。”
拓撲，是數(shù)學(xué)中非常重要的概念，用于研究幾何物體在連續(xù)形變下保持不變的性質(zhì)。后來，這個概念被科學(xué)家引用到物理學(xué)中，描述材料中電子分布的整體狀態(tài)。
方忠團隊對拓撲電子材料的研究，可以追溯到2003年。“當時我剛剛從國外回到中國科學(xué)院物理研究所工作。我在研究中發(fā)現(xiàn)，鐵磁體中電子態(tài)形成的磁單極，導(dǎo)致了內(nèi)稟的反?；魻栃?yīng)。”他回憶說。
20多年來，方忠團隊一直在該領(lǐng)域潛心耕耘，取得了累累碩果——
2010年，方忠等人提出了實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的材料體系和具體方案；
2013—2014年，國際上多個實驗團隊在他們提出的材料體系中，精準地觀測到了量子反?；魻栃?yīng)，證實了理論預(yù)言；
2015年，團隊計算發(fā)現(xiàn)了外爾半金屬，并被實驗迅速證實。其后，他們還提出了節(jié)點線半金屬、三重簡并半金屬等，進一步拓展了拓撲半金屬材料家族；
2019年，團隊完成了拓撲電子材料數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，從3萬多個已知的材料中篩選出近8000個拓撲非平庸的材料，加快了拓撲電子材料的發(fā)現(xiàn)和研究。
當前，拓撲新物態(tài)、新材料和新現(xiàn)象研究成為國際熱點，拓撲材料體系不斷涌現(xiàn)。豐富新奇的拓撲物性，也為新型功能器件的應(yīng)用奠定了重要的科學(xué)和材料基礎(chǔ)。
方忠說：“一般物質(zhì)材料因為有電阻，電子在傳輸過程中就會產(chǎn)生熱量。利用這些新的拓撲材料，就有可能實現(xiàn)沒有電阻的電子輸運狀態(tài)，從而降低能耗。”
此外，該團隊還提出并實現(xiàn)了一種全新的拓撲不變量計算方法，并已發(fā)展成為研究拓撲性質(zhì)的標準計算方法。同時，他們也提供了一種新的研究范式，加速了新物態(tài)和新材料的發(fā)現(xiàn)。
拓撲電子態(tài)的概念，也被迅速推廣到其他領(lǐng)域。
據(jù)了解，中國科學(xué)院物理研究所的一個團隊在光學(xué)器件的設(shè)計中使用了數(shù)學(xué)的拓撲原理，使得該半導(dǎo)體激光器的聚光效果提升了數(shù)十倍。
方忠提到，未來團隊的研究重點方向之一，是基于拓撲材料數(shù)據(jù)庫，著重研究具有應(yīng)用前景的拓撲材料和拓撲量子效應(yīng)，包括磁性拓撲態(tài)、手性費米子、拓撲熱電等。同時，研發(fā)相關(guān)的材料和物性計算能力、制備和表征測量的實驗設(shè)備等，推動拓撲電子器件的創(chuàng)新和應(yīng)用。
談起這些年的拓撲電子態(tài)研究歷程，方忠表示，做科學(xué)研究需要長期積累和堅持不懈，才會有取得突破的可能。
“拓撲態(tài)是認識物質(zhì)世界的全新視角，為變革性技術(shù)的出現(xiàn)提供了全新的物理原理與實際材料，我相信拓撲時代的黎明即將到來。”方忠說。
國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎“柔性直流換流器關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”
探索電網(wǎng)調(diào)節(jié)的新路徑
本報記者 喻思南
風(fēng)能、光能等清潔能源由于存在發(fā)電波動性和間歇性等短板，大規(guī)模并網(wǎng)會影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行。破解這一難題，柔性直流輸電技術(shù)是重要手段之一。
2004年，時任中國電力科學(xué)研究院輸配電國家工程中心副主任的湯廣福帶領(lǐng)研發(fā)團隊，開啟新一代直流輸電技術(shù)的探索。
很長一段時間，應(yīng)對清潔能源大規(guī)模并網(wǎng)接入挑戰(zhàn)，國際主流解決方案是國外提出的輕型直流輸電技術(shù)。該技術(shù)不依賴電網(wǎng)電壓換相、控制更靈活，但電壓低、容量小，無法滿足千兆瓦級跨區(qū)域輸電需求。
有沒有更好的實現(xiàn)路徑？研發(fā)團隊意識到，模塊化多電平技術(shù)路線或許是個好方法。但該路線僅是一個概念，從電氣實現(xiàn)、機械結(jié)構(gòu)、仿真驗證到試驗方法等均無先例可循。“從搞清原理到工程實現(xiàn)，全靠自己摸索。”國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院總工程師賀之淵回憶。
模塊化多電平換流器由數(shù)百甚至數(shù)千個模塊構(gòu)成，每個模塊就是一個小電源，各個模塊獨立地投入切出控制，既要維持自身的能量吞吐平衡，還要實現(xiàn)整體的交直流變換功能，做好非常困難。
2005年，賀之淵加入團隊時，正在中國電力科學(xué)研究院攻讀博士學(xué)位。在湯廣福指導(dǎo)下，賀之淵和研究團隊在“無人區(qū)”摸爬滾打，經(jīng)過10余次設(shè)計迭代、70余次專家評審，首次建立了完備的柔性直流輸電技術(shù)研究理論體系，攻克了數(shù)字電路在高電位場合的高耐壓能力和高抗電磁干擾難題，并于2010年成功研制出柔性直流換流閥工程樣機。
工程應(yīng)用，做出樣機只是第一步。2011年7月，亞洲首條柔性直流輸電工程在上海建成，實現(xiàn)了我國柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域零的突破。國家電網(wǎng)有限公司由此成為全球第三家完全掌握柔性直流輸電成套設(shè)備設(shè)計、試驗、調(diào)試和生產(chǎn)全系列核心技術(shù)的企業(yè)。
在此基礎(chǔ)上，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院牽頭的研發(fā)團隊，攻關(guān)更高參數(shù)等級的柔性直流輸電裝備，朝著千兆瓦級容量的目標進發(fā)。多年努力結(jié)出碩果：團隊揭示了換流器換流機理，提出了動態(tài)多物理場綜合調(diào)控方法，發(fā)明了換流器高速精準控制保護技術(shù)……一系列重大創(chuàng)新，助推我國在該領(lǐng)域邁向世界前列。
2013年，團隊研制出世界首個±320千伏/1000兆瓦柔性直流換流器，破解了柔性直流向千兆瓦級以上容量發(fā)展的技術(shù)瓶頸。2015年，該產(chǎn)品在廈門±320千伏柔性直流輸電科技示范工程中成功應(yīng)用，為大型城市可靠供電開辟了新途徑。2020年，我國建成世界首個±500千伏/3000兆瓦張北柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程，讓“張北的風(fēng)點亮北京的燈”。
中國柔性直流技術(shù)已經(jīng)走向世界。2022年，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院牽頭的中國團隊與國際同行競技，成功中標±320千伏/1030兆瓦德國BorWin6海上風(fēng)電柔性直流工程。該工程對系統(tǒng)可用率、平臺重量、新型控制策略等方面要求非常嚴格，團隊在價格高于競爭對手的情況下，依靠最高技術(shù)評分脫穎而出。
高端輸電技術(shù)首次進入歐洲市場，印證了我國柔性直流技術(shù)及柔性直流換流閥等高端電氣設(shè)備的競爭力。
賀之淵表示，目前團隊正在研發(fā)新型柔性直流輸電技術(shù)。該技術(shù)在保留柔性直流輸電技術(shù)優(yōu)點的同時，又具備常規(guī)輸電技術(shù)低損耗、高電壓、大容量的特點，從而兼具經(jīng)濟性和技術(shù)先進性。
“20年來，我國柔性直流輸電技術(shù)實現(xiàn)了從追趕到引領(lǐng)的跨越式發(fā)展。錨定目標，持續(xù)攻關(guān)，自主創(chuàng)新大有可為，也大有作為。”賀之淵說。
國家科技進步獎一等獎“食藥用菌全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用”
推動食藥用菌產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展
本報記者 劉詩瑤
如今，食藥用菌產(chǎn)業(yè)已成為繼糧、油、果、蔬后我國第五大農(nóng)業(yè)種植業(yè)，是保障國家糧食安全和推進鄉(xiāng)村全面振興的重要產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，我國單是食用菌年產(chǎn)量40多年來就增長了700多倍，從1978年5.7萬噸到目前超4000萬噸，年產(chǎn)值達3000多億元。
小蘑菇變成大產(chǎn)業(yè)、造福民生福祉，背后是科技創(chuàng)新的力量。由中國工程院院士李玉領(lǐng)銜的科研團隊，歷經(jīng)多年攻關(guān)，通過食藥用菌育種、栽培、加工全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用，推動產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。
做好中國人自己的食藥用菌資源調(diào)查與保育，是李玉團隊從事科學(xué)研究重要的目標之一。為了保護菌類種質(zhì)資源，團隊成員走遍了大江南北。每年4月底5月初，團隊就開始深入自然保護區(qū)，每隔10天到山上集中采一次蘑菇，回來整理資料……如此循環(huán)往復(fù)，一般會持續(xù)到9月份，幾乎貫穿野生蘑菇的整個生長周期。團隊成員不怕辛苦，不僅練就了不怕蚊子咬的“技能”，還練出了深山識路的本領(lǐng)。通過看月亮、看星星、看樹皮來識別方向，遇山順坡走、遇水順水走等，都是他們的“不迷路真經(jīng)”。
基于常年采樣調(diào)查，李玉團隊對我國典型生態(tài)系統(tǒng)進行了菌物資源調(diào)查及系統(tǒng)分類研究，發(fā)表新種130余個，記錄中國黏菌430余種，占世界已知種的43%。李玉也成為第一個為黏菌命名的中國人。他提出了菌物多樣性“一區(qū)一館五庫”思路，構(gòu)建了菌物多樣性保護創(chuàng)新體系——在自然保護區(qū)里設(shè)立菌類保育區(qū)，建設(shè)標本館，打造菌種庫、活體庫、有效物質(zhì)庫、基因庫和信息庫，建成國際領(lǐng)先、年入庫量全國最多的食藥用菌種質(zhì)資源庫，為世界菌物資源保育提供了中國方案。“即使我們追不上某個菌類物種消失的速度，有一天也能從庫里進行信息溯源，實現(xiàn)再利用。”李玉說。
為更好推進食藥用菌產(chǎn)業(yè)，李玉團隊推動栽培技術(shù)革命，創(chuàng)建“表型+基因型+功能成分+活性評價”精準育種技術(shù)，選育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的主栽新品種42個。每年，李玉都要帶領(lǐng)團隊成員深入田間地頭、菇棚車間開展科普宣傳。每到這個時候，周圍的菌農(nóng)就像過節(jié)一樣，從四面八方趕來，為的是聽他一堂課。據(jù)不完全統(tǒng)計，李玉團隊先后培訓(xùn)當?shù)丶夹g(shù)骨干8000多人，輻射帶動菌農(nóng)3萬余戶。
李玉團隊率先提出并踐行“木腐菌草腐化”理論，木腐菌從“吃木”變?yōu)?ldquo;吃草”，生產(chǎn)1噸食用菌干品可消耗1.33噸秸稈，經(jīng)濟效益提升3.42倍，累計消耗農(nóng)業(yè)廢棄物1.24億噸。團隊還開發(fā)出黑木耳全日光間歇彌霧栽培和小孔出耳技術(shù)，實現(xiàn)黑木耳大田“地栽”的革命性轉(zhuǎn)變，種植面積36年增加1000倍。他們解決了北方食用菌發(fā)展中的工程技術(shù)難題，實現(xiàn)了“南菇北移”“北耳南擴”的食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。
在李玉看來，“蘑菇不只是一盤菜”，必須走向深加工。他帶領(lǐng)團隊研發(fā)出木耳冰淇淋、木耳脆片、木耳茶、木耳益生菌等新產(chǎn)品，形成木耳全鏈條產(chǎn)品矩陣，帶動百姓脫貧致富。
李玉團隊還把食用菌種植技術(shù)推廣到非洲。針對贊比亞的熱帶氣候，他們集成創(chuàng)新出適宜當?shù)胤N植的食用菌品種8個和配套生產(chǎn)技術(shù)體系。
李玉團隊沒有停止前行的腳步，他們更大的夢想是讓中國發(fā)展為食藥用菌產(chǎn)業(yè)強國，讓老百姓吃上更健康、更放心的好蘑菇。“對這個夢想，我們滿懷信心。”李玉說。
國家科技進步獎二等獎“肺癌放療聯(lián)合分子靶向和免疫治療的關(guān)鍵機制與臨床應(yīng)用”
為肺癌診療設(shè)計精準方案
本報記者 谷業(yè)凱
在山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院，一場由該院院長、中國工程院院士于金明牽頭開展的肺癌多學(xué)科聯(lián)合診療正在進行。從2015年開始，多學(xué)科聯(lián)合診療已成為于金明乃至全院醫(yī)生每周固定的工作安排。“我們集中不同學(xué)科專家的智慧，以精準診斷和治療為前提，提供以患者為中心的個體化診療方案。”于金明說。
腫瘤是極其復(fù)雜的疾病，特別是肺癌，不同的治療方法可能有不同的療效和副作用。放療是肺癌最有效的局部治療手段之一，在醫(yī)學(xué)技術(shù)進步、多學(xué)科交叉融合的背景下，如何使放療聯(lián)合分子靶向和免疫治療等治療方式，從整體上提高療效、使患者獲益最大化，是于金明和團隊一直在思考的問題。
于金明深知，要在臨床上取得突破，研究必須奔著基礎(chǔ)去。在肺癌放療聯(lián)合分子靶向和免疫治療的研究中，團隊從基礎(chǔ)層面探究聯(lián)合給藥機制，繪制了我國放療重塑機體抗腫瘤的“免疫圖譜”，并通過系列細胞和動物研究，發(fā)現(xiàn)了放療誘發(fā)免疫應(yīng)答的關(guān)鍵通路及靶點，在分子水平上篩選出聯(lián)合治療的新靶點、新機制。于金明團隊在放療免疫基礎(chǔ)研究方面取得的成果，為臨床轉(zhuǎn)化提供了理論基礎(chǔ)，在國際上產(chǎn)生了重要影響。
為了在分子層面獲得精準的治療方案并監(jiān)測療效，團隊還自主建立了中國腫瘤人群基因組數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了多款高通量測序檢測組套，開發(fā)了與之對應(yīng)的全自動生物信息學(xué)分析流程，實現(xiàn)肺癌免疫微環(huán)境的分子影像可視化，為科學(xué)研究和臨床應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。團隊成員、山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院科教外事部主任陳大衛(wèi)說：“我們開發(fā)的系列產(chǎn)品和檢測技術(shù)靈敏度高，在國內(nèi)外獲得多項專利授權(quán)，相關(guān)試劑盒產(chǎn)品獲國家藥品監(jiān)督管理局批準上市，已在國內(nèi)外超150家醫(yī)療機構(gòu)使用。”
針對放療帶來的正常組織損傷，團隊創(chuàng)新提出了“免疫調(diào)節(jié)精準計劃”理念。他們研發(fā)的專利技術(shù)“一種照射劑量確定方法及系統(tǒng)”，能夠設(shè)計出精準動態(tài)調(diào)節(jié)的放療方案，實現(xiàn)飛秒級、高精度的“靶區(qū)”勾畫。
“我們將新型靶向、免疫治療藥物與精確放療技術(shù)結(jié)合，通過全國多中心的臨床研究，驗證了免疫治療在中國肺癌患者中的安全性和有效性，創(chuàng)建了放療聯(lián)合分子靶向和免疫治療的‘高效低毒’新策略，顯著提高了肺癌患者的生存率，減少了正常組織并發(fā)癥，為肺癌治療的全程精準化提供了有力支持。”團隊成員、山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院副院長邢力剛介紹。
個體化、精準化治療，需要全面的醫(yī)療數(shù)據(jù)支持和多學(xué)科協(xié)作機制。在于金明帶領(lǐng)下，山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院建立多學(xué)科聯(lián)合診療模式，實現(xiàn)對新入院肺癌患者的全覆蓋。
“堅持‘面向人民生命健康’，要求我們以臨床需求為導(dǎo)向做科研，提升患者的健康水平和生活質(zhì)量，為健康中國建設(shè)作出貢獻。”于金明表示，下一步，團隊將加強臨床研究，建立大型臨床試驗網(wǎng)絡(luò)，收集肺癌患者臨床、病理等多維度信息，力爭早日建成“惡性腫瘤免疫放療”數(shù)據(jù)平臺，為臨床試驗提供數(shù)據(jù)支持，為臨床醫(yī)生提供最新的研究成果、治療方案和臨床指南。
