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2017年國家科技獎獲獎項目巡禮:解密創新之路

  聽!創新英雄們這麼説

  ——2017年度國家科技獎獲獎項目巡禮(上)

  1月8日,2017年度國家科學技術獎勵大會在北京隆重舉行,兩位科學家獲得國家最高科學技術獎,共評選出35項國家自然科學獎、66項國家技術發明獎、170項國家科學技術進步獎。獲獎的一系列重大科學成果不斷刷新中國創造的高度,彰顯我國的創新自信。而這些成果的締造者們,大多幾十年如一日堅守科研初心,為創新型國家和世界科技強國建設傾盡心血。科技視野版將聚焦他們,解密他們的創新之路,敬請關注。

  ——編 者

  國家自然科學獎一等獎獲得者唐本忠

  熱愛工作就成功了一半

  創新感言:新的概念可以引領新的發展潮流、開闢新的研究領域。革命性的觀念可以改變我們的思維模式,甚至改變我們的生活方式。為鼓勵原創發現,必須鼓勵挑戰精神和培育創新文化。因為科學追求的最高境界是顛覆“常識”,通過概念突破而開闢新領域、創造新知識。

  獲獎項目:聚集誘導發光

  “做科研,既要努力‘站’上巨人的肩膀,也要勇於挑戰權威、把巨人‘踩’在腳下。”這是中科院院士、香港科技大學講座教授唐本忠經常對學生説的一句話。17年前,他和團隊挑戰傳統理論,在國際上首次提出了“聚集誘導發光”概念,並通過辛勤耕耘開闢了有機發光材料研究的新方向。2018年,憑藉在“聚集誘導發光”領域的開創性貢獻,唐本忠團隊獲得國家自然科學獎一等獎。

  “上帝不會隨便打電話”。“聚集誘導發光”現象的發現離不開團隊長期的研究積累

  簡要地説,“聚集誘導發光”是指分子在聚集狀態下發光反而比單分子狀態更強的現象。在唐本忠團隊發現該現象之前,科學家一直相信“聚集猝滅發光”理論,即發光分子在聚集狀態下發光強度減弱甚至完全消失。

  通常,有機發光材料在聚集態或固態下使用,因此“聚集猝滅發光”現象很大程度上限制了發光材料的應用範圍。“聚集猝滅發光”理論像一個魔咒,框住了人們的思想,很多科學家嘗試尋找隔離分子使發光不被猝滅的方法,但都收效有限。

  2001年,唐本忠和他的學生在實驗中,意外發現了一種與“聚集猝滅發光”截然相反的現象,即一類有機分子在溶液中不發光,而聚集後發光顯著增強。唐本忠敏銳地意識到其中可能包含著獨特的意義,經過仔細研究和多次實驗,他創造性地提出了“聚集誘導發光”概念。

  “有時候,做研究需要跳出現有的思維框框,如果你觀察到與既有經驗不一樣的現象,第一反應不應該是回避,而應該非常興奮地去追根溯源。”唐本忠説。

  “上帝不會隨便打電話。”唐本忠説,“聚集誘導發光”現象發現看似偶然,實際上離不開團隊長期的研究積累。

  為解開某些有機分子在聚集態下發光的謎團,那段時間,唐本忠廢寢忘食地思考這個問題。最終,經過大量實驗和卓有成效的討論,他帶領的團隊提出了解釋模型,即“聚集誘導發光”現象的産生是由於分子內運動的受限所造成的,這一解釋得到了科學界的普遍認可。

  “聚集誘導發光”是我國科學家率先提出的原創性概念,開闢了發光材料的新領域。目前,全世界已經有80多個國家和地區超過1500個研究單位的科學家進入該領域。

  熱愛你的工作!做到這點,你就成功了一半

  “原創的科研就像刨一口井,越往下發現的泉眼越多。如果只是跟蹤而無超越,思路早晚會枯竭”,唐本忠説。目前,唐本忠團隊製備了一系列高性能的“聚集誘導發光”材料,並與不同領域科研人員合作,推進這類材料在光電、傳感、生物、醫療等諸多領域的應用。

  唐本忠最初的夢想並不是做化學家。中學時代,他熱愛文學,還為學校文工團寫過劇本。1977年,在哥哥的建議下,他報考了理工專業。與高分子科學結緣,還緣于他有機化學考得不錯,被華南工學院(現華南理工大學)招生的老師看中,從而被招入該校。

  “畢業後,我又被國家公派到日本而不是我想去的美國留學,我的人生好像很多時候都是‘被選擇’的。”唐本忠説。面對“被選擇”的人生,唐本忠有自己的心得和理念——“愛上所做的工作”。

  在華南工學院的4年,為擠出更多的時間學習,唐本忠暑假沒有回過一次家,基本在圖書館裏度過。在香港科技大學做研究,他的實驗室經常深更半夜都燈火通明。

  曾有人問唐本忠做出好研究的秘訣,他的回答是:“熱愛你的工作!做到這點,你就成功了一半。”

  在唐本忠看來,現在青年人學習環境和條件比以前好多了,應該集中精力打牢基礎。“一些科研人員追求‘短、平、快’的熱門研究,難以有時間靜下心來思考重大的科學問題,從而難以真正做出具有重大意義的科研成果。青年人要有做原創研究的自覺和膽識,全社會也要營造良好的創新文化。”唐本忠説。本報記者 喻思南

  國家自然科學獎一等獎獲得者李家洋

  要有挑戰難題的勇氣

  創新感言:搞科研,一是要有挑戰科學難題的勇氣和精神,不要因為別人解決不了,就覺得自己肯定也解決不了,要敢於挑戰,要有信心。二是要有一個非常好的團隊,這非常關鍵。三是要有鍥而不捨的精神,在困難的時刻不動搖,能夠一直堅持下去。四是要具備敏銳性,如果沒有敏銳性,你根本不知道一項科學研究最重要的關鍵點在哪。

  獲獎項目:水稻高産優質性狀形成的分子機理及品種設計

  長江中下游稻區是我國水稻主産區之一,歷史上一直是水稻育種水平和生産水平非常高的地區。但近20年以來,該地區水稻産量進入一個緩慢增長期,存在著品質較差、抗病性弱、主栽種品種退化嚴重等問題,由此也帶來了抗生素和農藥濫用等一系列問題。在這種情況下,科學家們一直在思索:能否找到水稻質與量的“完美協調”,讓其綜合能力達到最佳?

  經過多年的努力,以中國科學院院士李家洋領銜的研究團隊終於找到了這個“完美協調點”。他們運用分子設計育種的理念和技術,經過精心的雜交“設計”,育成了具有理想株型及超高産、早熟和抗稻瘟病等優秀基因的水稻新品種。

  日前,這一突破性成果也因具有引領作用,對指導未來作物遺傳改良、保障國家糧食安全具有重大戰略意義,摘得2017年度國家自然科學獎一等獎桂冠。

  “分子設計”育種技術可以精確改良水稻缺點

  在過去半個世紀裏,中國的水稻育種實現了兩次重要突破,成為世界範圍內第一次“綠色革命”的重要組成部分。

  第一次是上世紀60年代矮化育種的成功,把水稻産量提高了20%—30%;第二次是上世紀70年代中期雜交水稻的研究成功,水稻産量在矮稈良種的基礎上又增長20%左右。

  兩次突破很好解決了中國等發展中國家的溫飽問題。如何在吃飽的同時又能吃好,讓水稻既高産又優質?

  1994年,在美國完成博士後學業之後,李家洋立刻回到國內,為實現這一目標開始努力。李家洋選擇了“分子設計”育種技術為研究方向。“‘分子設計’育種技術是世界作物遺傳改良領域最先進的技術。它可以實現基因的直接選擇和有效聚合,也就是説可以精確改良缺點,聚合多個優點,不但有望實現水稻既高産又優質,同時還能大幅度提高育種效率,縮短育種年限,並且實現‘精確育種’。”

  研究過程異常艱難,沒有先例可循

  多數農作物的經濟性狀,比如高産、穩産、優質、高效等,都受到多個基因的調控,並具有“模塊化”特性。

  “水稻也一樣。所以,在這個過程中我們需要首先了解清楚水稻不同基因對應的不同性狀,以及不同基因耦合可能産生的性狀,解析它們表達調控機制、彼此作用的模式。然後將這些基因根據需要進行相對精確的重新組合,得到我們需要的品種,讓雜交、選種過程變得有目標、可預見。”李家洋説,“這就像搭積木,我們有針對性地選擇需要的積木,更快更好地搭建出需要的建築。”

  然而,“搭積木”的過程並不容易。

  李家洋坦陳,最艱難的時期就是研究的起步階段。“在世界上這也是個巨大挑戰,沒有先例可循。我們只能自己摸索研究,建立一套圖位克隆水稻基因的體系。”李家洋説。

  最終,經過8年的努力攻關,李家洋團隊成功建立了一套圖位克隆水稻基因體系。“有了這個體系,我們就可以克隆水稻的所有基因。”

  “最讓我高興的是,之後的研究中我們成功找到了最關鍵基因。”李家洋説,這種名為理想株型的基因可以讓株型更優。“莖稈更粗壯,穗子大、谷粒大,這是高産最重要的性狀。”

  除了讓水稻能既高産又優質外,“分子設計”育種技術還能讓育種時間大大縮短。常規育種需要7—8年才能選出育種材料,“分子設計”育種技術能將其縮短到4—6年甚至更短,育種週期縮短為原來的1/2至1/3。

  李家洋説:“在常規育種中,雜交後的新稻株要等到在田裏生長後,科學家才能用肉眼‘海選’出想要的性狀植株。但在分子模塊設計育種中,哪怕還是小苗,只要做一次基因檢測,就能‘鎖定’想要的那一棵。”本報記者 吳月輝

  國家技術發明獎一等獎獲得者賈振元

  我就是個幹活的

  創新感言:做科研要找對路子。刻苦的人很多,關鍵在於找準方向。道走對了可能事半功倍;道走錯了,你費大力氣、繞大圈子也不一定能成功。

  獲獎項目:高性能碳纖維複合材料構件高質高效加工技術與裝備

  “我就是個幹活的”——見面握手時,賈振元這樣“自報家門”。

  今年54歲的賈振元是大連理工大學長江學者特聘教授,國家973計劃項目首席科學家,國家萬人計劃入選者,2017年度國家技術發明獎一等獎項目第一完成人。

  個頭不高、頭髮灰白的他對記者説:“農民要種好地、多打糧食,工人要把工做好、拿出好産品,我們搞工程科學的就要把問題弄懂、把技術弄通,爭取解決實際問題、滿足國家重大需求。”

  賈振元幹的這個活,是世界性難題——碳纖維增強樹脂基複合材料(以下簡稱“碳纖維複合材料”)構件的高質高效加工。

  瞄準制約行業發展的卡脖子問題

  從博士畢業留校任教至今,賈振元在機械工程精密加工領域幹了將近30年。“我們做工程科學的,總希望自己做的事情能有意義,把自己的研究和國家需求結合起來,瞄準高校有優勢、企業無法解決、制約行業發展的卡脖子問題。”

  碳纖維複合材料的高質高效加工,就是這樣的“卡脖子”問題。

  航空、航天、交通等領域的高端裝備,質量越輕跑得越快、飛得越遠,有效載荷也越大。賈振元介紹,這些裝備的重量一般按“克”計算,飛機結構重量每降低1%,油耗可以減少3%—4%;高鐵減重1%,能耗可減少6%—7%。

  減輕重量有兩種途徑:一是設計巧妙,二是材料輕質。目前既輕巧又有剛度、強度的材料,當屬碳纖維複合材料。而且它易實現材料與結構整體同步製造,已成為高端裝備減重增效的優選材料。

  “但光有好材料還不行,加工技術必須跟得上。”賈振元説,只有先經過切邊、制孔等系列機械加工,複合材料構件才能連接裝配、用到高端裝備上。讓企業頭疼的是:複合材料構件加工過程中很容易産生毛刺、撕裂、分層等損傷。這些加工損傷會影響構件的承載性能、疲勞壽命和可靠性。

  2003年,科研團隊在與企業合作時發現了這個“卡脖子”問題後,下決心攻克這一難關。

  賈振元告訴記者,碳纖維複合材料多層疊加、多相混合、各向異性,與金屬等均質材料完全不同,是典型的難加工材料。

  “必須從根子上解決問題。”賈振元為團隊確定了研發路徑:從應用基礎研究出發,從構成機理上弄清楚造成碳纖維複合材料加工損傷的根源,然後再從工程實踐中提煉出解決共性問題的理論方法。

  憑著“螞蟻啃骨頭”的精神,他們終於取得多項重大突破:探明了碳纖維複合材料去除機理和加工損傷形成機制,提出了針對碳纖維複合材料加工的切削理論,建立了切削力和切削過程動態倣真模型。

  在此基礎上,研發團隊用理論指導實踐,提出“微元去除”和“反向剪切”加工損傷抑制原理,先後發明三大類、9個系列的制孔、銑削等刀具。研發團隊還開發了負壓逆向冷卻和具有自風冷排屑功能的系列加工工藝,研製了13台套數控加工工藝裝備。

  自2010年起,賈振元團隊研製的新型刀具和技術裝備投入應用,把碳纖維複合材料的加工損傷控制在0.1毫米內。

  最喜歡別人叫我賈老師

  從2005年至今,賈振元四次榮獲國家技術發明獎。這期間,他也由機械工程學院院長升至機械工程與材料能源學部部長,並於2015年起擔任大連理工大學副校長。

  “其實我最喜歡別人叫我‘賈老師’。”他坦陳,“我給自己的定義就是老師,教書是本分,科研是本分。我當院長、部長很多年,行政和科研不能説沒有衝突,關鍵是你如何分配好時間、提高效率。”

  賈振元是如何做到的?

  同事的答案是“三不會”。團隊骨幹高航教授説:“賈老師一不會打麻將,二不會打撲克,三不會唱歌,幾乎沒什麼業餘愛好。”

  賈振元的訣竅,是三個“一會兒”:早上早到一會兒,中午少休息一會兒,下班以後再多幹一會兒。

  “其實賈老師搞科研不止三個‘一會兒’。”團隊成員王福吉教授介紹説,賈振元幾乎沒有節假日,辦公桌上全是書,一有空就看材料、研究問題。“有一次星期天我到辦公樓處理點事,經過賈老師辦公室時,瞅見他正低著頭、仔細琢磨手裏的刀具。”趙永新 呂東光

  國家科學技術進步獎特等獎獲得者李蘭娟

  滿足百姓需求是我的心願

  創新感言:我從小依靠國家的助學金完成學業,是黨和國家培養我一步步成長至今,我當過赤腳醫生,深知老百姓對醫療服務的需求,這也是我從醫、從教、從事科學研究的初心。這次我們拿了醫療衛生系統的第一個國家特等獎,而且是新發突發傳染病防控體系的創新與突破,我將繼續帶領團隊一起為“健康中國”獻策獻力。

  獲獎項目:以防控人感染H7N9禽流感為代表的新發傳染病防治體系重大創新和技術突破

  創建並引領救治患者的“中國技術”

  回憶起2013年的春天,中國工程院院士、傳染病診治國家重點實驗室主任李蘭娟印象最深的是與時間賽跑的緊張感。

  2013年4月,男性患者曹某出現發熱症狀,體溫高達39.5攝氏度,住進杭州某醫院。12日,病情開始加重,咳嗽咳痰,出現明顯氣急。經確診,曹某是人感染H7N9禽流感患者,出現呼吸窘迫綜合徵,血壓下降、出現休克狀態。會診醫生向李蘭娟報告,這個病人搶救過來的希望渺茫,是否還要轉院?李蘭娟考慮,患者起病只有6天,正是患者細胞因子風暴高峰嚴重損傷肺部的時期,而當時世界上還沒有有效針對細胞因子風暴的救治辦法。

  “患者這麼年輕,儘管希望渺茫,但只要有百分之一的希望,就要做百分之百的努力!”在綜合分析重症感染患者病情進展規律後,李蘭娟根據自己創建的李氏人工肝技術能清除患者體內炎症因子的原理,當機立斷,決定將人工肝支持系統應用於救治呼吸功能衰竭,阻斷細胞因子風暴。她交代會診醫生,維護好患者血壓和充分給氧,維護好生命體徵,立即將患者轉運至浙江大學附屬第一醫院用人工肝技術進行搶救治療。

  果然,這一技術治療方案取得了顯著的效果,2個小時以後患者的血壓開始穩定,細胞因子炎症介質迅速下降。經過5天5夜的搶救,曹某奇跡般地渡過了器官功能衰竭的生命難關。而在這5天裏,李蘭娟也沒有睡過一個囫圇覺,不斷總結救治方案,形成了嚴格控制抗生素和激素的使用,採用抗病毒、抗低氧血症和多臟器功能衰竭、抗休克、抗繼發感染(“四抗”),維持水電解質平衡和微生態平衡(“二平衡”)的治療策略。

  成功防控人感染H7N9禽流感病毒疫情

  那一年的春天,像這樣的不眠之夜還有很多。H7N9疫情突發後,項目組在5天內就確認了新型H7N9的病原,向全世界公佈全基因序列,為全球應對這一新發傳染病贏得了時間。李蘭娟説,這是讓中國醫學界都感到揚眉吐氣的事情。“SARS最慘痛的教訓就是長時間無法確認病原。”項目組創建了深度測序和高通量數據分析為核心的新發突發傳染病監測網絡,可在72小時內完成300余種病原分析,為早期發現新病原、監控病原變異提供了關鍵技術。

  找到病原,只是疫情防控的第一步。李蘭娟團隊創立了以分子分型和溯源為特色的新發傳染病預測預警技術體系和防控模式,首次闡明該疫情的流行病學特徵和規律。團隊還從流行病學、血清學和分子病毒學方面證實了活禽市場是人感染H7N9禽流感病毒的源頭,首次證明了關閉活禽市場可以顯著降低病毒從禽到人的傳播風險。

  為了使更多的新發傳染病得到有效診斷,李蘭娟團隊創建了我國新發傳染病診斷試劑高效快速研發平臺。H7N9病原發現後,2天內成功研發檢測試劑,3天推廣至我國31個省市區,5天至周邊各國,7天由世界衛生組織向全球推廣,標誌著我國在該領域的技術達到並引領國際先進水平。團隊還利用反向遺傳技術成功研製了我國首個人感染H7N9禽流感病毒流感疫苗種子株,一舉打破了我國流感疫苗株必須依賴外國提供的歷史。

  這是中國科學家在新發傳染病防控史上第一次利用自主創建的技術體系,成功防控了在我國本土發生的重大新發傳染病疫情,不僅避免了類似SARS的情況重演,還在控制中東呼吸綜合徵冠狀病毒MERS、寨卡等傳染病的輸入和援助非洲抗擊埃博拉疫情中取得了卓越成效。世界衛生組織曾這樣評述:“中國對人感染H7N9禽流感疫情的風險評估和循證應對可作為今後類似事件應急響應的典範。”(本報記者 谷業凱)

關鍵詞: 唐本忠;國家自然科學獎;國家技術發明獎;理想株型;分子設計