黑箱子里撞出“世界第一”……上海三大科技成果问鼎国家科技奖“三大奖项”_风闻

　　图源：新华社

　　30秒快读

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　　上海首次同时牵头获得国家自然科学奖、国家技术发明奖和国家科学技术进步奖“三大奖”高等级奖项。

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　　这是2000年以来，上海牵头获得国家一等奖数量最多的一年，，也是上海首次在“三大奖”高等奖项中实现“金花齐放”。

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　　具有重大意义的“前沿”科学发现和“硬核”技术发明频现。黑箱子里撞出“世界第一”、30余载耕耘水稻田头、高端磁共振“国产化”，让我们一起走进他们的故事。

　　11月3日，2020年度国家科学技术奖在京揭晓。上海共有48项牵头或合作完成的重大科技成果获奖，占全国获奖总数的17.45%。其中，上海牵头完成25项，占获奖项目总量的52.08%，展现出上海不断进取的科技精神。在这些获奖团队中，有一生只做一件事的科学家，也有关心农民钱袋子的科研者，还有聚焦材料技术创新的发明家……他们用自己的专业和专注，影响着我们每一个普通人的生活，用创新之力推动产业进步。

　　让我们走进2020年国家自然科学一等奖以及科技进步奖一等奖的团队和项目带头人，看一看，在上海不断深化国际科技创新中心建设的过程中，他们是如何用自己的力量，为这座科技创新之城提升科创策源功能“硬实力”和创新生态环境“软实力”添砖加瓦的。

　　在化学世界里“造孔”

　　国家自然科学奖一等奖：

　　《有序介孔高分子和碳材料的创制和应用》

　　中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元自称“造孔之人”，他形容自己的研究“相当于拿个凿子，在你们看不到的微观世界里造孔”。从事化学研究23年来，赵东元的科研生涯始终专注功能介孔材料研究。“我一辈子就做了这个事，”他笑称，“也只会做这个事。”

　　2021年11月3日，国家科学技术奖公布。赵东元、李伟等人完成的《有序介孔高分子和碳材料的创制和应用》项目获得了自然科学一等奖。该项目原创性地提出了“有机-有机自组装”思想，创制了有序功能介孔高分子和碳材料，揭示了介孔独特的物质输运和界面反应规律。

　　这也是时隔18年后，上海再一次获得国家自然科学奖一等奖。

　　“拍脑袋”创造的研究新方向

　　“介孔材料是一种多孔材料，孔径在2～50纳米。而功能化介孔材料，是将介孔材料改性而使其具有不同的功能。”赵东元介绍，介孔材料是20世纪发展起来的崭新材料体系，具有规则排列、大小可调的孔道结构及高的比表面积和大的吸附容量，在大分子催化、吸附与分离、纳米组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用前景。 

　　1998年，35岁的赵东元结束在美国加州大学圣芭芭拉分校的博士后工作回到复旦大学，此后便一直专注功能介孔材料研究。

　　当时，学界关于介孔材料的研究都集中在无机材料的研究上，很少有人想到有机化学。氧化硅、金属氧化碳等材料都是当时介孔材料研究的产物。但这类材料普遍有一个通病：脆性大、密度高，加工起来非常不容易。

　　2000年，在复旦大学邯郸校区化学西楼,赵东元突发奇想，做了这么多年无机介孔材料，能不能创造一种有机的高分子材料，又软又轻又好用，还能在国民经济中创造出非常高的价值？正是这个念头，创造了介孔材料研究的一个新方向。

　　“这完全是我拍脑袋想出来的。”赵东元说，虽然“拍脑袋”，但创新是一个科学工作者，尤其是基础研究工作者的基本素质，探索自然规律，靠的就是好奇心，要的就是这种“凭空”想象。

　　当然，科学家的“拍脑袋”和普通人也不一样。赵东元敢这样“拍脑袋”，靠的还是他自己在介孔材料研究上的积累。多年的研究积累让他对介孔材料的特性了如指掌。对于介孔材料有了相当的直觉。“这么多年，我们还是有底气的。”

　　这个念头一出，一次长达5年的团队实验接龙就此展开。

　　在黑箱子里乱转

　　没有前人的足迹可循，没有他人的论文可参考，一切必须自己想办法。赵东元这样形容自己团队最初开始研究的场景：“整个合成就像一个黑箱一样，你根本不知道该怎么做，会产生什么。”

　　尽管如此，基于对介孔材料结构的熟悉，对介孔材料形成过程的深刻理解，赵东元始终相信，有机高分子介孔材料合成这条路一定走得通。

　　刚开始接触这个课题的时候，即便拥有聪明的大脑和勤奋双手的复旦学生，也苦不堪言。团队成员孟岩在自己的博士论文《有序的有机高分子介孔材料合成与结构》中写道:起初，实验怎么也做不出介孔，做出的全都是抱团的纳米粒子……

　　有时候成功和失败之间就隔着一张纸，捅破了，一切就很简单，但如果不捅破，就得在漫无边际的高分子种类中寻觅，一次次试错。经历了数不清的失败后，不断有学生从课题组离开。赵东元唯一能做的，就是安慰学生，帮助他们从失败中总结经验。

　　“失败真的太多了，压力也非常大，”赵东元有些无奈，“看到其他学生不断有成果出来，学生自己压力很大，我也只有不断地鼓励他们。”

　　也许一次次的失败真的能够创造奇迹。

　　2003年10月7日深夜，刚从复旦历史系转到化学系的顾栋正在实验室里忙碌着，紧张地等待着实验数据。当天，他尝试用一种反常规的方法进行实验。没想到，正是打破常规，让实验组最终捅破了通向成功的那张纸。

　　“顾栋非常聪明，他提出把高分子先聚再合成的做法，一下子把步骤从5个简化成2个。”赵东元在学生的启发下打开了思路。接下来2个月，大家紧锣密鼓、调节参数、测试分析，年底就基本得到了所有数据。 

　　2005年，赵东元在《德国应用化学》(Angew Chem)上发表文章，在“有机-无机自组装”的基础上首次提出“有机-有机自组装”的新方法，并将实验方法公之于众。经过12年的探索，2017年，赵东元又在此基础上完成了有序介孔高分子和碳材料的创制。至今吸引了60多个国家和地区的1500余家科研机构跟踪研究，利用相似的方法研究介孔高分子、碳材料等，发表论文4万多篇。国际ISI Web of Science公司还将赵东元列为近十年100名引用率最高的化学家之一。

　　赵东元的课题组也一下“活”了。成员们基于该项目成果发表论文200多篇，被引用30000余次。这个先驱性质的团队吸引了不少优秀的青年研究者，由十多人的团队扩展至近百人，这次的获奖名单中除了赵东元这个“60后”，还有两个“70后”，一个“80后”。

　　天生我“材”必有用

　　说起科学研究，很多人都觉得科学和应用相隔甚远。赵东元并不这么认为。

　　“化学是离工业最近的一门基础学科，很多研究成果都能实现转化。”赵东元相信天生我“材”必有用，既然能创造出这个结构的材料，那么肯定会能找到它的用途，哪怕目前来看还太昂贵。

　　如何将自己的科学成果转化为实际应用一直是赵东元的课题之一。这几年，经过不断压缩成本，赵东元团队的科研成果已经能投入到工业化生产中，开展大规模制备。例如，介孔材料作为催化剂，可以大大提高重油转化效率，全国推广后每年可为中石化增产约150万吨的高质量油品。介孔碳和介孔高分子定向合成、吨级生产后，还被运用于超级电容器，在北京奥运会的LED路灯和上海世博会的电动汽车上进行了应用。此外，在生物检测、环境处理、电子材料等方面，介孔材料都得到了广泛应用。

　　尽管如何让介孔材料飞入寻常百姓家仍然是个悬而未决的问题，但赵东元对此也有一番自己的设想。介孔材料在工业上已经作为绝缘隔热材料的应用，将来是不是也可以应用到衣物上？比如用纳米孔制做衣服，既轻薄，保暖性又强。

　　“将来，我们的衣服可以像面霜一样，涂在身上，薄薄一层，就能完全隔热，零下30度都不怕！”赵东元兴奋地说道。

　　护住水稻保护研究利用的“根”

　　国家科技进步一等奖：

　　《水稻遗传资源的创制保护与研究利用》

　　江南的稻田里，稻子上已经挂满了金黄的稻穗，农民又迎来了丰收的季节。上海市农业生物基因中心首席科学家罗利军和他团队主持的《水稻遗传资源的创制保护与研究利用》项目也有了新的收获，获得了国家科技进步奖一等奖。

　　说起自己和团队20多年从事水稻研究，罗利军说里面没有什么值得讲述的故事，有的只是水稻研究者脚踏实地的本分：“国家需要什么，我们就往哪里去。”

　　建立水稻“种质资源库”

　　在上海市农科院，有一个“种质资源库”。在这个“种质资源库”里，高高的货架一直延伸到天花板上。架子上，一个个铝箔袋里装满了各种各样的种子。每份种子上都标注着它们的身份信息。专业人员能够从“种子身份证”中轻松识别各种信息：来自何方、是何种类、有何特殊之处等。而这些种质资源，都是这20多年来，罗利军和他的团队共同收集而来。

　　为何种质资源如此重要？“种质资源是农业的芯片。”在罗利军看来，种质资源上存储着水稻的遗传密码，是培育优良品种的关键。而如今国内水稻研究的瓶颈，恰在于关键资源的发掘量不够。

　　在收集水稻种质资源的过程中，罗利军和团队奉行“拿来主义”。外出考察，看到好的，立马就拿回来。

　　通过种质库内的“种质资源实物库和数据管理系统、库位管理系统和用户管理系统（一库三系统）”，收集回来的种质资源将在这里完成鉴定、种子处理、入库贮存、安全监测到分发利用，进行高效管理和安全保存。

　　20年间，罗利军和他的团队共收集到水稻遗传资源20余万份，使我国水稻遗传资源保存量增加130%以上，丰富了我国水稻遗传资源，让我国稻种质资源的保有量居世界首位。

　　科研人员还系统地开展种质资源的鉴定评价与创新，构建了源于26个国家的水稻分子育种骨干亲本群体；创制了我国主要稻作区主栽品种遗传背景的多亲本导入系4万余份和用于高产优质多抗基因挖掘的遗传作图群体60个。优异资源广泛应用于我国水稻品种选育和基础理论研究之中，资源共享利用8万余份次，克隆一批重要基因，育成327个新品种。 

　　培育节水抗旱稻

　　没水也能种水稻？对于常人来说，这大概是违背常识的一件事，但罗利军和他的团队却把这件事变成了现实。

　　在收集保存水稻种质资源的过程中，罗利军开始思考一个问题，能不能利用种质资源培育出大量减少淡水需求的新品种？这么想着，他和团队成员就这么做了。

　　罗利军与他的团队曾主持过国家水稻资源攻关研究。在研究过程中，他们发现，水稻是用水大户，我国是贫水大国。干旱，使占我国70%以上的中低产田水稻大幅减产，每年稻谷损失惨重。“不仅如此，”罗利军说：“由于农药化肥的使用量不断增加，水稻种植带来越来越严重的污染。”要同时解决这些问题，节水抗旱稻的研究十分必要。

　　然而，要想培育中节水抗旱稻，并非易事。在水稻育种的过程中，一直存在优质与高产、高产优质与节水抗旱等优良性状难以兼顾的难题，想要让水稻既“高产优质”，又“节水抗旱”，十分困难。

　　为了解决这一问题，罗利军团队利用种质库的资源，建立了基于扩大遗传基础的种质创新和品种选育技术,发现并克隆了50余个抗旱相关基因。

　　罗利军团队通过聚合旱稻品种的抗旱性与水稻品种的高产优质特性，先后育成籼型、粳形、杂交和常规四个系列的节水抗旱稻。让水稻既可以在水田里节水栽培，又可以像小麦一样在旱地里种植。进一步把水稻种植的范围覆盖到更干旱的北方，更广阔的山区，让水稻再不是鱼米之乡的专利。这下，农民种水稻再也不怕湿了鞋。罗利军说：“传统水稻品种如果遭遇干旱，几天可能就枯死了，节水抗旱稻却不会，只要给点雨水，它们就又生机勃勃了。”

　　为了验证节水抗旱稻的真实抗旱能力，罗利军和团队在海南试验田里摆下棋盘阵。在经历了一段时间的干旱之后，远远望去，试验田就像一个黄绿间隔的巨型棋盘。普通水稻品种已经枯黄，而节水抗旱稻却依旧绿意盎然。

　　相比传统水稻，节水抗旱稻在不降低产量和米质的前提下，生产过程中的灌水量减少了53.3%，化肥施给量减少47.7%，大幅度地减少农业面源污染。其中，总氮和总磷的排放分别减少69.0%和36.6%，农药减少80%以上，大幅度减少碳排放，实现了“资源节约、环境友好、农田增值、农民增收”的绿色农业生产目标。

　　“实际上我们现在有饭吃，水稻的贡献是很大的。”和水稻相伴了30多年，罗利军和团队成员针对不同生态地区的实际需求，育成了71个水稻新品种。其中，黑龙江农科院绥化分院选育的绥粳18号为我国水稻年种植面积最大的品种，年推广面积超过了1000万亩。但罗利军仍不满足，因为在他看来，水稻研究关系到每个人的饭碗，比起经济效益，更看重社会效益。他的眼睛，还紧紧盯着云南、新疆，那些吃不到优质大米的地方，想着帮着农民增产增收。

　　中国成功自主研发高端磁共振设备

　　国家科技进步一等奖：

　　《高场磁共振医学影像设备自主研制与产业化》

　　说起核磁共振，大部分人都不会陌生。躺进诊疗舱，在磁场内停留数十分钟，身体相关的各种影像资料就能被这台医学“扫描仪”记录，帮助医生获悉病情。

　　如今，以磁共振为代表的大型诊断医学影像设备将迎来一次大更新，变得更快更强。

　　上海联影医疗科技股份有限公司与中国科学院深圳先进技术研究院联合完成的《高场磁共振医学影像设备自主研制与产业化》将使医学“扫描”变得更快捷，让病人花更少的时间，获得更清晰更准确的医学影像。

　　数据“采得少”了，影像却“快了”“准了

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　　对于一台磁共振诊断医学影像设备来说，是什么决定了这台医学“扫描仪”的影像质量？答案是场强。场强决定了磁共振性能的好坏，而越高场强往往带来更高清质量的图像。

　　尽管高场磁共振具有高分辨率、多参数、高对比和无辐射等优势，据联影项目负责人介绍，由于超导磁体研发难度大，成像电子学门槛高，涉及学科门类繁多，技术体系精密复杂，研发难度极大。在此之前，我国高端影像设备国产率不足5%，最高端的3T磁共振则100%依靠进口。高昂的设备费用也导致我国百万人口磁共振拥有量不足美日等国十分之一。

　　经过十多年的联合攻关，如今，我国成功研制出了首台3.0T高场磁共振设备。相比以往的设备，3.0T高场磁共振设备数据“采得少”了，但是却“采得快”了，“采得准”了。

　　针对以往磁共振医学影像设备用时长，用户体验不佳的情况，联影团队创造性地提出了基于多层次先验的非线性快速成像新方法，发明了深度稀疏表达、细节保持及暂能重建新技术，使3.0T高场磁共振设备可以在数据“采得少”的前提下，实现最高16倍加速的高保真快速成像，缩短“扫描”时间，让成像变得更快。

　　同时，3.0T磁共振成像设备还突破了高场超导磁体制造工程技术，发展出了强约束多物理场优化设计方法，突破百公里级铌钛超导线连接与绕制、主动屏蔽与匀场等磁体工程工艺，使磁场均匀度达1.2ppm，确保了磁共振信号能够“采得准”。

　　让技术惠及医学研究和病人

　　以磁共振为代表的大型尖端医学影像设备是临床医学诊断的必备工具，可以从结构、功能等多个层面对人体内部组织进行深入细致的观察与分析，是心脑血管神经和肿瘤等多种重大疾病影像诊断的金标准，而高场磁共振医学影像设备的研发和生产，将最终惠及医学研究和病人。

　　如今，联影与中科院深圳先进院合作，共同承担一系列国家级、省部级重大科研项目，并在5.0T磁共振、7.0T磁共振等超高场磁共振系统以及磁共振引导超声治疗、心脑血管疾病早诊领域进行探索。同时，在中国科学院的支持下，两院正积极组织开展我国14T极高场磁共振成像核心技术预先基础研究。未来有望提供微米级成像分辨能力和多核功能成像能力，为脑科学等重大前沿科研需求提供更精细的脑结构和脑功能成像等先进技术。

　　联合复旦大学附属中山医院、中国人民解放军总医院等三甲医院，联影率先建立了脑中风、心脏病和微小肿瘤“既快又清”定量磁共振成像诊断方法，实现了重大疾病诊断新技术的临床推广应用。实现了高时空分率实时心脏成像、肝脏灌注和脑血管斑块成像，形成临床指南并纳入国际影像专家共识。

　　2020年联影磁共振国内增量市场占有率排名第一，帮助国产磁共振国内市场占有率从2013年14%提升至41%。此外，联影磁共振同时逆向输出至美国、欧洲、印度等多个国家，使我国由净进口国转变为出口国，打破了跨国公司在该领域长达30多年的统治格局，重构了该领域国际产业格局。

　　国内高场磁共振医学影像设备自主研发实力的增强，也迫使进口同类产品大幅降价，让更多的医院买得起设备，从而满足我国亿万民众健康需求，带动高端医疗装备制造行业发展。

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　　中青年科学家逐步挑起大梁

　　上海首次同时牵头获得“三大奖”高等级奖项。2020年度，上海在国家自然科学奖、国家技术发明奖和国家科学技术进步奖“三大奖”上，牵头获得4项一等奖，占全国的17.39%，这是2000年以来，上海牵头获得国家一等奖数量最多的一年，也是上海首次在“三大奖”高等奖项中实现“金花齐放”。

　　具有重大意义的“前沿”科学发现和“硬核”技术发明频现。在表彰作出重大科学发现成果的国家自然科学奖上，本市科研团队的9项基础研究成果获奖，占全国的19.6%。其中，复旦大学赵东元院士团队获得的国家自然科学奖一等奖，这是我国对基础研究成果的最高肯定，也是上海时隔18年再获此殊荣。在注重考虑首创性和实用性的技术发明奖上，本市也获奖9项，占全国的14.8%，其中牵头1项一等奖。自2014年以来，上海占全国获自然科学奖的比例首次超过科技进步奖，经过多年来持续不懈营造良好科研环境、加大基础研究支持力度和人才团队培育，上海面向世界科学前沿的原创能力不断提升，正持续涌现具有影响力的前瞻性和理论性的高质量成果。

　　在此次国家科学技术奖获奖者中，涌现一批优秀中青年科学家和女科学家。上海22项牵头完成的通用项目中，第一完成人年龄小于45岁的有3位，占比13.64%；介于46～55岁之间的有9位，占比40.91%；56～65岁有10位，占比45.45%。此外，由女性科学家牵头的项目有4项。

　　获奖成果的科研攻关时间普遍超过十年。“十年磨一剑”的潜心研究是获奖成果的普遍规律，也是科研人员工作的真实写照。从人才队伍看：老中青相结合的科研团队，中青年科学家逐步挑起大梁，既传承科学精神，又彰显创新活力。比如，《水稻遗传资源的创制保护和研究利用》（国家科学技术进步奖一等奖）与《限域反应构建晶态能量转换材料及调控机制》（国家自然科学奖二等奖）均历时长达21年。

　　基础性学科和大健康领域具备优势。48项获奖成果中，化学科学、材料科学、生物学各2项，数学和基础医学各1项，近两年上海在上述基础性学科获奖14项。在与人民生命健康相关的药物与生物医学工程、内科与预防医学、外科与耳鼻咽喉颌、农业、养殖和食品安全等领域，上海获2项一等奖（均为牵头）、11项二等奖（6项牵头），占上海获奖总数的27.1%。特别是上海市农业生物基因中心牵头完成的《水稻遗传资源的创制保护和研究利用》、上海联影医疗科技有限公司牵头完成的《高场磁共振医学影像设备自主研制与产业化》双双获得国家科技进步一等奖，一定程度表明在作物遗传育种、医疗器械等新兴领域，上海正涌现新的优势学科和创新型标杆企业。

　　作者／IT时报见习记者  范昕茹

　　编辑／王昕、挨踢妹 

　　排版／季嘉颖

　　图片／采访对象、新华社

　　来源／《IT时报》公众号vittimes