依托重大科技基础设施开展建制化研究

扈永顺

约20亿年前，一颗比太阳重20多倍的“超级太阳”——大质量恒星燃燒完其核聚变燃料，瞬间坍缩引发巨大的爆炸火球，发出了一个持续几百秒的巨大“宇宙烟花”——伽马射线暴。火球与星际物质碰撞产生的大量万亿电子伏特高能伽马光子穿过茫茫宇宙，径直飞向地球，于2022年10月9日晚抵达地球。经过几个月的分析，科学家们揭开了这场爆炸事件的面纱。6月9日，这项成果发表在《科学》杂志上，题为“极亮伽马射线暴窄喷流的万亿电子伏特余晖”。

这项突破性的成果依托国家重大科技基础设施——位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙线观测站（以下称拉索，LHAASO）获得。

“天文学是一门依赖观测的基础研究，观测手段的进步会为人类天文学研究带来前所未有，甚至是颠覆性的发现。”拉索首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻告诉《瞭望》新闻周刊记者。

当前，世界已经进入大科学时代，重大科技基础设施能够提供人类从事前沿研究所必需的、极限的、综合的研究手段，是支撑战略性、基础性、前瞻性基础科学研究的重要平台。我国重大科技基础设施作为“国之重器”“科技利器”，是科技基础能力的重要组成部分。

20世纪60年代至今，我国在建和运行的重大科技基础设施项目总共58项，中国科学院承担建设运行的设施达33项。为充分利用重大科技基础设施开展科研，强化跨所、跨设施、跨学科的协同攻关，2021年11月，中国科学院“基础研究十条”提出开展依托国家重大科技基础设施的建制化基础研究。

中国科学院院士、大亚湾中微子实验和江门中微子实验首席科学家王贻芳认为，重大科技基础设施为开展前沿性、基础性研究提供了重要平台。统筹规划现有装置的机时资源与软硬件优势，搭建前沿交叉研究平台，瞄准颠覆性技术、原创性科学成果，开展规模化的集团攻坚，有望形成一批基础研究成果，在综合国力竞争中抢占科研实力制高点。

重大科技基础设施就是要出大成果

宇宙线是高能粒子流（带电粒子、光子和中微子等）的总称，作为“天外来客”携带着宇宙起源、天体演化、星际空间环境、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。受探测器功能与性能水平的影响，自110年前发现宇宙线至今，科学界尚未形成一个“标准模型”能完整地描述其起源、加速及星际空间传播的机制。

宇宙线研究作为科学界竞相角逐的领域，在21世纪第一个10年，多国研究部门纷纷提出下一代伽马天文观测重大科技基础设施计划：欧洲提出建造100多台大气切伦科夫望远镜组成的阵列（CTA）计划，美国选择了一条通过升级改造实现适度提升灵敏度的高海拔水切伦科夫探测器（HAWC）计划，中国则提出建设拉索的计划。

拉索于2021年7月建成运行，正以前所未有的伽马射线探测灵敏度，将伽马天文的研究带入从未观测过的新波段，开启并引领人类进入超高能伽马射线天文学时代。

曹臻介绍，拉索获取来自宇宙信使的大量观测数据，研究这些数据需要一批高水平团队协作，共同依托设施开展观测与数据分析。“2022年10月9日，拉索接收到伽马射线暴后，我们迅速组织多个团队开展了数据分析与理论解释工作。其中数据分析结果由中国科学院高能物理研究所给出，理论解释由南京大学、中国科学技术大学等提供，研究成果集体署名，充分体现了建制化科研的优势。”

我国在建和运行的重大科技基础设施项目总共58项，在各自领域已经发挥了关键作用，部分装置综合水平迈入全球“第一方阵”，产出了一大批有国际影响力的重大科学成果。

目前，已有32个国内外天体物理研究机构成为拉索的国际合作组成员，成员约280人，协作研究宇宙射线的起源，同时开展宇宙学、天文学、粒子物理学等众多领域的基础研究。

中国科学院前沿科学与教育局副局长卢方军介绍，除了天文学，中国科学院承担建设运行的国家重大科技基础设施还分布在粒子物理、核物理、聚变物理、海洋等领域，还有先进光源、散裂中子源、科考船等多学科平台型设施，形成了涵盖前瞻引领型、战略导向型、应用支撑型的设施布局。

这些重大科技基础设施在各自领域已经发挥了关键作用，部分装置综合水平迈入全球“第一方阵”，产出了一大批有国际影响力的重大科学成果。例如，“中国天眼”在快速射电暴的研究中取得了一系列国际领先的重大成果，也是目前国际上发现脉冲星效率最高的望远镜；东方超环（EAST）磁约束核聚变实验装置在2023年4月创造了稳态高约束模式等离子体运行403秒的世界纪录，是可控核聚变史上的一个里程碑；稳态强磁场实验装置也刷新了同类型磁体磁场强度的世界纪录。这些成果标志着中国已经在相关领域研究中进入国际最前沿。

此外，依托重大科技基础设施突破了一批关键核心技术，解决了一批国家重大需求。例如，中国散裂中子源在高铁轮毂等工程材料缺陷检测中发挥了重要作用；武汉国家生物安全实验室在世界上首次检测出新冠病毒全基因组序列，首次分离出病毒毒株，为抗击新冠疫情作出了不可替代的贡献；依托长短波授时系统研制出目前国际唯一的光抽运小铯钟；依托兰州重离子装置研制出重离子治癌装置等。

“重大科技基础设施还有力支撑了国家创新高地建设的战略布局。北京怀柔、上海张江、安徽合肥、大湾区等4个综合性国家科学中心主要依托中国科学院建设运行的重大科技基础设施集群建设。”中国科学院条件保障与财务局副局长杨为进介绍。

强化跨所、跨设施、跨学科的建制化攻关

为更好发挥重大科技基礎设施效能，2021年底，中国科学院在物质科学、生命科学、天文三个领域试点，启动了第一批依托重大科技基础设施的建制化科研平台项目，计划以5年为周期，给予稳定经费支持。这些项目注重发挥中国科学院建制化优势，将某一领域的领衔科学家团队和重大科技基础设施依托单位科研人员组织起来，利用重大科技基础设施开展科研，强化跨所、跨设施、跨学科的建制化攻关。

以国家重大需求为导向设立建制化科研平台，更主动地联合攻关解决国家重大需求“卡脖子”问题。例如，中国科学院物理研究所瞄准下一代量子材料与技术，依托重大科技基础设施开展“新奇量子物态与综合极端调控”建制化科研项目。专项利用综合极端条件实验装置、上海光源、中国散裂中子源等重大科技基础设施具备的相关条件，聚焦先进量子材料与技术前沿研究中的重大科学问题，组建建制化研究团队，开展建制化科研攻关，目前已初步形成在目标导向下利用全链条（材料的理论设计、计算和性能预测—材料制备—结构和物性表征—综合极端条件下的物态调控—器件制备和性能测试）、多手段（时间、动量空间/实空间、温度、压力、磁场等），打破学科界限，促进交叉融合，以材料（物质）体系为载体，以物性的重大发现为突破口，以原型器件为应用目标的建制化科研协同攻关新模式。

发挥强强联合优势，综合利用多种手段研究同一个科学问题。例如，联合使用中国散裂中子源和高能同步辐射装置，发挥中子源穿透能力强、对轻原子敏感的特点和同步辐射光实验分辨率高、对重原子敏感的特点，对被测物品的性能给出多方位的判断。

创新组织管理体系，建立项目首席科学家、顾问委员会和建制化科研平台执委会制度。聘请国内相关领域多名院士和教授组成顾问委员会，为执委会制定战略发展方向和研究目标等提供咨询和建议。例如中国科学院上海高等研究院启动了面向二氧化碳的光子科学建制化科研平台项目，该项目瞄准二氧化碳捕集利用关键核心问题，主要依托上海光源，组建一支涵盖光子科学、能源科学、材料科学等多学科交叉的建制化研究团队进行科研。邀请二氧化碳捕集与转化利用和光子科学领域的国内顶级专家以及能源领域龙头企业、二氧化碳排放源主要企业的首席科学家作为科技咨询组专家成员，提供顾问指导。上海光源积极推进制度措施优化，保障建制化项目研究机时。在具体运行中，科研团队由中国科学院上海高研院进行双聘管理，实行科研平台主任和首席科学家双负责人制，按照研究方向设置的课题组实行科研负责人和重大科技基础设施负责人双负责人制，一方面在研究领域上形成互补，一方面在团队管理上形成合力。

目前，通过两年的探索实践，第一批试点项目取得了一批成果。

“新奇量子物态与综合极端调控”建制化科研项目已取得了“系统研究了笼目结构超导体AV3Sb5的多种物性，揭示了超导、电荷密度波及反常霍尔效应等性质的起源和竞争关系”“发现单带Mott绝缘体”“在铁基超导材料锂铁砷（LiFeAs）中观测到大面积、高度有序、可调控的马约拉纳准粒子格点阵列”“构建国际先进的量子计算云平台”等为代表的阶段性研究进展与成果。

二氧化碳的光子科学建制化科研平台项目，发展了模拟工况条件的同步辐射原位X射线吸收谱实验方法，在原子尺度上解析了临氧条件下二氧化碳捕集—转化过程中金属位点氧化—还原的动态机制及其构效关系，设计了具备“牺牲位点”的吸附—催化双功能材料，完成了准千方级小试，达到较高的碳捕集率和转化率。目前联合产业方初步完成验证方案，为传统高碳行业向低碳变革提供了有效途径。

进一步挖掘重大科技基础设施潜力

重大科技基础设施已成为国家科技创新体系的重要单元，是基础科学研究和高新技术发展的重要载体。为应对国际科技竞争的重大挑战，迫切需要进一步挖掘依托重大科技基础设施进行建制化基础研究的潜力。

当前，空间集群化、功能集成化、设施建制化已经成为各国重大科技基础设施的主要运行管理模式。平台型重大设施与材料/生物研究重大设施、数据计算重大设施具有天然的“互补性”，重大科技基础设施“组队”和材料研究中心、数据计算中心等协同布局已成为发展趋势。

强流重离子加速器装置总工程师、中国科学院近代物理研究所研究员杨建成认为，为了更好支撑基础前沿研究，我国要做好重大科技基础设施建设的整体规划，优化重大科技基础设施的学科和地域布局。

中国散裂中子源探测器与电子学团队负责人孙志嘉建议，加快推进“粤港澳大湾区光源”的落地建设，将散裂中子源与同步辐射光源组合，发挥重大科技基础设施的集群效应，打造多学科前沿交叉应用平台，支撑高新技术企业技术迭代，推动粤港澳大湾区高端制造业发展。

王贻芳认为，可以借鉴国际上其他重大科技基础设施的组织模式，通过顶层设计，依托同步辐射装置、散裂中子源等装置，组建“四个面向”研究中心。例如建设面向世界科技前沿的成像研究中心、生物研究中心等；建设面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康的纳米医学研究中心、材料研究中心等；建设支撑科学研究的科学数据与计算中心等。

“中心要改变原有零碎的服务模式，通过组织国内优势研究力量，在纳米、材料、生物、环境等重要方向上形成相对固定的大团队，以建制化、集团化的方式长期攻关，开展重大研究。”王贻芳表示。

“建制化基础科学研究就是有组织的基础科学研究，而有组织就是要定好目标、分好工。”孙志嘉说，在建制化基础科学研究中，需要聚焦主责主业，发挥各自长处，形成合力。“这就好比一个木桶由十块木板组成，每人手里有一块木板，建制化基础科学研究就是要把大家手里的木板拼到一起。每个人把自己这一块木板做得尽可能长，而且拼成木桶时木板之间不漏水。”

卢方军介绍，中国科学院将进一步促进研究人员和设施运行人员的深入合作，聚焦重大问题长期稳定开展联合攻关，打造建制化科研新范式，加快实现从“在干什么”“能干什么”向“该干什么”的转变。

◎ 来源|瞭望