堅持“四個面向” 勇攀科技高峰——二〇二三年度國家科學技術獎獲獎項目巡禮（上）

6月24日，全國科技大會、國家科學技術獎勵大會和中國科學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年度國家科學技術獎共評選出250個項目和12名科技專家。獲獎者們錨定科技強國建設目標，堅持“四個面向”、勇攀科技高峰，努力為中國式現(xiàn)代化建設貢獻力量。

根據(jù)國家科學技術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采。

——編  者

國家自然科學獎一等獎“拓撲電子材料計算預測”

打開認識物質(zhì)世界的新視角

本報記者  吳月輝

國家自然科學獎一等獎是我國自然科學領域的最高獎項，在科技界備受矚目。

在日前揭曉的2023年度國家科學技術獎中，中國科學院物理研究所所長、中國科學院院士方忠團隊的拓撲電子材料計算預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，這個概念被科學家引用到物理學中，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，導致了內(nèi)稟的反常霍爾效應。”他回憶說。

20多年來，方忠團隊一直在該領域潛心耕耘，取得了累累碩果——

2010年，方忠等人提出了實現(xiàn)量子反?；魻栃牟牧象w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常霍爾效應，證實了理論預言；

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，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用奠定了重要的科學和材料基礎。

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域。

據(jù)了解，中國科學院物理研究所的一個團隊在光學器件的設計中使用了數(shù)學的拓撲原理，使得該半導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，著重研究具有應用前景的拓撲材料和拓撲量子效應，包括磁性拓撲態(tài)、手性費米子、拓撲熱電等。同時，研發(fā)相關的材料和物性計算能力、制備和表征測量的實驗設備等，推動拓撲電子器件的創(chuàng)新和應用。

談起這些年的拓撲電子態(tài)研究歷程，方忠表示，做科學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。

國家技術發(fā)明獎二等獎“柔性直流換流器關鍵技術及應用”

探索電網(wǎng)調(diào)節(jié)的新路徑

本報記者  喻思南

風能、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，柔性直流輸電技術是重要手段之一。

2004年，時任中國電力科學研究院輸配電國家工程中心副主任的湯廣福帶領研發(fā)團隊，開啟新一代直流輸電技術的探索。

很長一段時間，應對清潔能源大規(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。該技術不依賴電網(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)、機械結構、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，正在中國電力科學研究院攻讀博士學位。在湯廣福指導下，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領域零的突破。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備設計、試驗、調(diào)試和生產(chǎn)全系列核心技術的企業(yè)。

在此基礎上，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院牽頭的研發(fā)團隊，攻關更高參數(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……一系列重大創(chuàng)新，助推我國在該領域邁向世界前列。

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“張北的風點亮北京的燈”。

中國柔性直流技術已經(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，依靠最高技術評分脫穎而出。

高端輸電技術首次進入歐洲市場，印證了我國柔性直流技術及柔性直流換流閥等高端電氣設備的競爭力。

賀之淵表示，目前團隊正在研發(fā)新型柔性直流輸電技術。該技術在保留柔性直流輸電技術優(yōu)點的同時，又具備常規(guī)輸電技術低損耗、高電壓、大容量的特點，從而兼具經(jīng)濟性和技術先進性。

“20年來，我國柔性直流輸電技術實現(xiàn)了從追趕到引領的跨越式發(fā)展。錨定目標，持續(xù)攻關，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)鏈關鍵技術創(chuàng)新及應用”

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銜的科研團隊，歷經(jīng)多年攻關，通過食藥用菌育種、栽培、加工全產(chǎn)業(yè)鏈關鍵技術創(chuàng)新及應用，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，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。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，構建了菌物多樣性保護創(chuàng)新體系——在自然保護區(qū)里設立菌類保育區(qū)，建設標本館，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革命，創(chuàng)建“表型+基因型+功能成分+活性評價”精準育種技術，選育具有自主知識產(chǎn)權的主栽新品種42個。每年，李玉都要帶領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，李玉團隊先后培訓當?shù)丶夹g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，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鍵機制與臨床應用”

為肺癌診療設計精準方案

本報記者  谷業(yè)凱

在山東第一醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(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科聯(lián)合診療正在進行。從2015年開始，多學科聯(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)學技術進步、多學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)免疫應答的關鍵通路及靶點，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研究方面取得的成果，為臨床轉(zhuǎn)化提供了理論基礎，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，構建了多款高通量測序檢測組套，開發(fā)了與之對應的全自動生物信息學分析流程，實現(xiàn)肺癌免疫微環(huán)境的分子影像可視化，為科學研究和臨床應用打下堅實的基礎。團隊成員、山東第一醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院科教外事部主任陳大衛(wèi)說：“我們開發(fā)的系列產(chǎn)品和檢測技術靈敏度高，在國內(nèi)外獲得多項專利授權，相關試劑盒產(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“一種照射劑量確定方法及系統(tǒng)”，能夠設計出精準動態(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結合，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)支持和多學科協(xié)作機制。在于金明帶領下，山東第一醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院建立多學科聯(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，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。