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大江东| 魔都这只“鹦鹉螺”,助力多少科研“光速提升”

2019/5/8 13:49:45
来源:人民日报中央厨房大江东工作室



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“鹦鹉螺”全貌

“国之重器”上海光源十岁了!

上海浦东张衡路,有一座直径超过160米的圆形建筑,从高空俯视像一只超大型鹦鹉螺,安静低伏在张江高科技园区的中心。

5月6日至7日,这里的一场庆祝活动俨然成了科研学术的前沿盛会。致辞领导、演讲与研讨嘉宾多为知名专家学者,听众提问时自报身份,也不是博士就是教授。活动中,为下面这些学者颁出了“杰出用户奖”:从事催化研究的中国科技大学校长包信和院士、中科院大连化学物理研究所张涛,在凝聚态物理领域声名卓著的中科院物理所丁洪研究员,从事化学研究的北京大学马丁教授和研究员,在结构生物学领域广受关注的中科院微生物研究所高福院士、清华大学施一公院士和颜宁教授——键入每一个名字,都链接着近几年中国科学界的重要发现、重量级成果;专业各异,领域不同,惟一的共同点,是“鹦鹉螺”的平台——上海光源。

2009年5月6日,作为中国大陆第一台中能第三代同步辐射光源的“上海光源”(英文简称SSRF)首次正式对用户开放,至今整整十周年。它也是我国目前用户最多的大科学装置和公共实验平台。

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十年盘点,有多少重量级学术成果与它有关?

十年间,上海光源与中国科学家们相互配合,在生命科学、凝聚态物理、材料科学、化学、能源与环境科学等多个学科前沿基础研究和高新技术研发领域产生了一批具有国际影响力的研究成果,是我国科学家参与国际竞争的强大助力。

有多强大?

截止2019年4月底,上海光源已运行开放的线站累计为用户提供实验机时超过34万小时,执行通过专家评审的课题近13000个。以上海光源为支撑,来自国内518家高校、研究所、医院和企业的2.4万余名科研人员,共在生命科学、凝聚态物理、化学、材料、能源、环境、地质、考古等学科领域发表期刊论文约5000篇,其中,Science、Nature、Cell三种顶级国际刊物的论文96篇,SCI-1区论文约1500篇;有六项成果入选中国科学十大进展,四项入选中国十大科技进展新闻,还有入选《科学》“十大科学突破”、欧洲《物理世界》十大突破、美国化学会十大科研成果等代表中国科研能力跻身国际一流行列的标志性成果。

聚集在这里的科学家团队有多优秀?上海光源科学中心主任、中科院上海高等研究院副院长赵振堂介绍,有53位院士、千人计划及973首席科学家领导的100多个团队,以及杰青、青千、中科院百人计划等青年科学家团队300多个,在这里开展实验。

他们说:有了“光源”,科研大不同

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鹦鹉螺里从事前沿实验的主力,是年轻学生,其中很多人已成长为青年人才。  姜泓冰摄

“鹦鹉螺”里,在储存环真空室里以光速运动的电子束,和它们沿切线方向被导出的同步辐射光,肉眼凡胎不可见。可见的,是一条条功能各异“切线”上的实验线站,和因为机时宝贵而紧张工作的人们。

北京大学鲁安怀教授课题组两位研究生在做的,是“矿物膜”研究。“我们的样品是岩石和土壤表面很薄的一层,取样太少,只有在上海光源才能研究。”正读研三的刘同学这样说。

在这里,埋头利用同步辐射技术开展国际最前沿课题实验的操作者,80%以上都是像刘同学这样的硕士生、博士生们,十年累计超过1.9万人,其中很多人已成为最出色的青年人才。

另一条线站里,西北工业大学教授赵天飞正带着学生们调试一台原位拉伸机,用来测试试验他所研究的纤维网络结构材料。“来了四年,已经取得了很多成果。每次把我们的思路告诉线站工作人员,他们会根据我们的需求更新设备、提供新的实验方案,我们还可以基于上海光源自行研发设备。如果是国外的平台,成本高不说,更难有这样的深度合作模式。”

“上海光源还没正式‘开光’,我就来了。我们是和上海光源一起进步的。”北京大学马丁教授在催化制备氢燃料领域成果不断,他的研究生们每个月都要往返于京沪之间来做实验。他也同样说,离开上海光源,自己很难取得这样的科研成果。

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上海光源工作站内景  姜泓冰摄

中科院微生物所高福院士说“特别感谢”,因为上海光源,在对禽流感、埃博拉、寨卡等流行病毒的蛋白质结构与功能解析中功不可没。在禽流感盛行之时,上海光源在课题组获得实验样品后第一时间就紧急安排用机时间、准备好实验条件,经过几次实验,仅用了两个月时间,禽流感病毒跨种转播机制与H7N9感染人传播机制就被揭示出来,为禽流感疫情的防控策略提供了重要的理论基础。

来的,不光是科学家们。诺华、罗氏、葛兰素史克、辉瑞等制药公司都在这个平台上筛选新药,中国石化公司、上海宝钢集团、上汽集团等国内化工、冶金、汽车等领域龙头企业也借助上海光源开发新技术与新产品,比如高性能铜合金连铸凝固过程电磁调控技术,已应用于京沪高铁接触线制造、助力中国石化成为我国首个获得分子筛结构代码的企业。

上海光源还吸引来了文物考古学家们。故宫博物院在这里成立了“上海光源(故宫博物院联合实验室”,已在乾隆时期紫金釉微观结构、古丝绸之路与新疆省山普拉墓地遗址玻璃珠内部结构、故宫东华门清代天花彩纭制作原料及工艺研究等方面联合开展研究,取得了一系列重要成果。

华东理工大学副校长刘昌胜院士说,上海光源是“非常好用的新工具”:“人和猴子的区别是人类善用工具。上海光源擅长解析精细结构,为我们的学科体系发展提供了基础支撑。”

研究光刻胶的中国科学院大学副校长杨国强院士把上海光源比作“眼睛”:“有双好眼睛,科研‘看着做’和‘蒙着做’不一样!”

“国之重器”是这样落户上海的——战略眼光,开启新模式

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回忆十年运行,赵振堂主任感慨:“上海有战略眼光!”

1993年,丁大钊、方守贤、冼鼎昌三位院士最早建议“在我国建设一台第三代同步辐射光源”。时任中科院上海原子核研究所所长杨福家院士提议上海承接,上海市市长徐匡迪等有关领导以及李政道、杨振宁等知名科学家都积极支持。1999年,国家发改委为上海同步辐射光源的预制研究立项,2001年预制研究工程通过专家鉴定。2004年项目获批开工建设。为了推动这一“国之重器”落地,除了土地,上海投资占比高达45%。

原中科院副院长、现任上海张江综合性国家科学中心常务副主任施尔畏说,上海光源首开了国家平台型大科学装置由地方政府和国家财政共同投资、科学院和上海市共同建设运作的新模式。

2004年动工开建时,张衡路还是一片农田。2009年,上海光源建成“开光”时,《自然》杂志专门撰文,称中国从此加入了“世界级同步辐射俱乐部”。但这个投资巨大、技术要求高、运营也很“烧钱”的大科学装置,能否长期稳定运行,有没有足够用户、用户分布是否合理,可以产出多少科研成果、成果水平和影响力如何,中国能否玩得转,谁都没有把握。从预制研究结束到正式开工建设,这期间花了3年时间,上海光源的推动者、领导者、建设者们顶住压力,用令人满意的预研成绩和充分的准备,让国家下定决心开工建设。

大科学设施有了“上海经验”,科技服务成就“上海品牌”

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“鹦鹉螺”贡献出了大科学设施运行的“上海经验”,也成了具有示范效率的科技服务“上海品牌”。

当初立项,上海光源的预估用户仅300人,但“开光”第一年,已有600人次使用;分别建在北京、合肥的一、二代同步辐射设施,此前十几年间诞生的三大期刊成果总共不足5篇,基于上海光源的三大期刊成果则年均10篇。

10年来,上海光源每年开机约7000小时,其中实验供光约为5500小时。运行期间,装置稳定高效运行、性能不断提升,加速器开机率、平均无故障运行时间间隔、平均故障修复时间等主要运行指标处于同类装置的国际先进水平。上海光源用户需求强劲,实验机时供不应求,每年用户申请机时约为可提供机时的3—4倍。

“我们有不同级别、种类的课题,紧急课题可以优先安排。惟独没有私人关系的课题!”负责上海光源用户开放工作的何建华研究员敢于这样说。

没有深锁“象牙塔”,不只是少数科研单位“自娱自乐”,上海光源全程贯彻“公开、公正、高效”的理念提供科研服务,坚持严格的目标管理,建立了行之有效的运行机制和制度,形成了有特色、高效率的用户课题管理体系,促进了上海光源用户成果产出。

“过去国内科研设施大多是内生、内向的,上海光源很不一样,他们以客户为导向提供服务,强调有效工作时间,不断改进技术,与我们企业很有共同语言,这在国内科研界非常少见,真正做成了中国最重要的基础研究平台。”与全球知名科研设施均有合作、提供真空设备的EDWARDS公司中国区总经理许坚这样说。

迎来“黄金时代”,2022年扩容到35条束线

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鹦鹉螺底,“光”之源头,是一支全面掌握设计、建造和运行第三代光源核心关键技术的工匠团队。建立了条件完备的关键技术研发基地与测试平台,使我国同步辐射光源加速器和光束线站的技术能力与建造水平得到大幅度提升。十年里,上海光源一直在改进、提升、拓展。科研人员持续开展基于设施的加速器改进和同步辐射实验方法学及应用研究,发展了涵盖红外、软X射线、硬X射线波段的衍射、散射、谱学、成像等系列实验方法:动态显微CT、衍射CT、小角散射CT、高性能扫描相干衍射成像(PCDI)、原位低温和磁场环境下的磁圆二色/磁线二色……各种外行看不懂的专业名词汇成一个评价:国际先进水平的实验环境与服务。

上海光源团队不仅承担了多项国家重大科技基础设施的建设任务,而且承接了多项国际同类装置的研制任务,如巴西光源150MeV直线加速器整机设计、建造及调试任务,韩国光源和日本超级B工厂对撞机的定时控制,韩国光源和加拿大光源的波荡器等。

有上海光源示范效应显著,武汉、东莞、西安等国内城市都在积极申请建设同步辐射光源。一批第四代同步辐射光源项目,正在全球布局。在赵振堂看来,上海光源还需站在国际前沿,开启下一个“黄金十年”。

“二期工程的X射线通用谱学线站已完成安装和通光,将于今年投入运行。预计到2022年,上海光源将有约35条光束线和60个实验站投入运行,届时,上海光源年接待用户能力将超过上万人次。”

赵振堂说,上海要建设具有国际影响力的科创中心,要建设世界一流的张江实验室,上海光源会不断发展新技术,发挥更为重要的作用。上海光源将与正在建设中的软X射线自由电子激光装置、硬X射线自由电子激光装置及超强超短激光装置一起形成先进的光子科学研究中心,不断产出重大成果,支撑我国科技创新突破和跨越发展,为提高我国科技核心竞争力做出新的更大的贡献。

除署名外,图片均由上海光源提供(人民日报中央厨房 大江东工作室供稿)

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