依托重大科技基礎設施開展建制化研究

扈永順

約20億年前，一顆比太陽重20多倍的“超級太陽”——大質量恒星燃燒完其核聚變燃料，瞬間坍縮引發巨大的爆炸火球，發出了一個持續幾百秒的巨大“宇宙煙花”——伽馬射線暴?；鹎蚺c星際物質碰撞產生的大量萬億電子伏特高能伽馬光子穿過茫茫宇宙，徑直飛向地球，于2022年10月9日晚抵達地球。經過幾個月的分析，科學家們揭開了這場爆炸事件的面紗。6月9日，這項成果發表在《科學》雜志上，題為“極亮伽馬射線暴窄噴流的萬億電子伏特余暉”。

這項突破性的成果依托國家重大科技基礎設施——位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙線觀測站（以下稱拉索，LHAASO）獲得。

“天文學是一門依賴觀測的基礎研究，觀測手段的進步會為人類天文學研究帶來前所未有，甚至是顛覆性的發現?！崩魇紫茖W家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻告訴《瞭望》新聞周刊記者。

當前，世界已經進入大科學時代，重大科技基礎設施能夠提供人類從事前沿研究所必需的、極限的、綜合的研究手段，是支撐戰略性、基礎性、前瞻性基礎科學研究的重要平臺。我國重大科技基礎設施作為“國之重器”“科技利器”，是科技基礎能力的重要組成部分。

20世紀60年代至今，我國在建和運行的重大科技基礎設施項目總共58項，中國科學院承擔建設運行的設施達33項。為充分利用重大科技基礎設施開展科研，強化跨所、跨設施、跨學科的協同攻關，2021年11月，中國科學院“基礎研究十條”提出開展依托國家重大科技基礎設施的建制化基礎研究。

中國科學院院士、大亞灣中微子實驗和江門中微子實驗首席科學家王貽芳認為，重大科技基礎設施為開展前沿性、基礎性研究提供了重要平臺。統籌規劃現有裝置的機時資源與軟硬件優勢，搭建前沿交叉研究平臺，瞄準顛覆性技術、原創性科學成果，開展規?；募瘓F攻堅，有望形成一批基礎研究成果，在綜合國力競爭中搶占科研實力制高點。

重大科技基礎設施就是要出大成果

宇宙線是高能粒子流（帶電粒子、光子和中微子等）的總稱，作為“天外來客”攜帶著宇宙起源、天體演化、星際空間環境、太陽活動及地球空間環境等重要科學信息。受探測器功能與性能水平的影響，自110年前發現宇宙線至今，科學界尚未形成一個“標準模型”能完整地描述其起源、加速及星際空間傳播的機制。

宇宙線研究作為科學界競相角逐的領域，在21世紀第一個10年，多國研究部門紛紛提出下一代伽馬天文觀測重大科技基礎設施計劃：歐洲提出建造100多臺大氣切倫科夫望遠鏡組成的陣列（CTA）計劃，美國選擇了一條通過升級改造實現適度提升靈敏度的高海拔水切倫科夫探測器（HAWC）計劃，中國則提出建設拉索的計劃。

拉索于2021年7月建成運行，正以前所未有的伽馬射線探測靈敏度，將伽馬天文的研究帶入從未觀測過的新波段，開啟并引領人類進入超高能伽馬射線天文學時代。

曹臻介紹，拉索獲取來自宇宙信使的大量觀測數據，研究這些數據需要一批高水平團隊協作，共同依托設施開展觀測與數據分析。“2022年10月9日，拉索接收到伽馬射線暴后，我們迅速組織多個團隊開展了數據分析與理論解釋工作。其中數據分析結果由中國科學院高能物理研究所給出，理論解釋由南京大學、中國科學技術大學等提供，研究成果集體署名，充分體現了建制化科研的優勢?！?blockquote>

我國在建和運行的重大科技基礎設施項目總共58項，在各自領域已經發揮了關鍵作用，部分裝置綜合水平邁入全球“第一方陣”，產出了一大批有國際影響力的重大科學成果。

目前，已有32個國內外天體物理研究機構成為拉索的國際合作組成員，成員約280人，協作研究宇宙射線的起源，同時開展宇宙學、天文學、粒子物理學等眾多領域的基礎研究。

中國科學院前沿科學與教育局副局長盧方軍介紹，除了天文學，中國科學院承擔建設運行的國家重大科技基礎設施還分布在粒子物理、核物理、聚變物理、海洋等領域，還有先進光源、散裂中子源、科考船等多學科平臺型設施，形成了涵蓋前瞻引領型、戰略導向型、應用支撐型的設施布局。

這些重大科技基礎設施在各自領域已經發揮了關鍵作用，部分裝置綜合水平邁入全球“第一方陣”，產出了一大批有國際影響力的重大科學成果。例如，“中國天眼”在快速射電暴的研究中取得了一系列國際領先的重大成果，也是目前國際上發現脈沖星效率最高的望遠鏡；東方超環（EAST）磁約束核聚變實驗裝置在2023年4月創造了穩態高約束模式等離子體運行403秒的世界紀錄，是可控核聚變史上的一個里程碑；穩態強磁場實驗裝置也刷新了同類型磁體磁場強度的世界紀錄。這些成果標志著中國已經在相關領域研究中進入國際最前沿。

此外，依托重大科技基礎設施突破了一批關鍵核心技術，解決了一批國家重大需求。例如，中國散裂中子源在高鐵輪轂等工程材料缺陷檢測中發揮了重要作用；武漢國家生物安全實驗室在世界上首次檢測出新冠病毒全基因組序列，首次分離出病毒毒株，為抗擊新冠疫情作出了不可替代的貢獻；依托長短波授時系統研制出目前國際唯一的光抽運小銫鐘；依托蘭州重離子裝置研制出重離子治癌裝置等。

“重大科技基礎設施還有力支撐了國家創新高地建設的戰略布局。北京懷柔、上海張江、安徽合肥、大灣區等4個綜合性國家科學中心主要依托中國科學院建設運行的重大科技基礎設施集群建設。”中國科學院條件保障與財務局副局長楊為進介紹。

強化跨所、跨設施、跨學科的建制化攻關

為更好發揮重大科技基礎設施效能，2021年底，中國科學院在物質科學、生命科學、天文三個領域試點，啟動了第一批依托重大科技基礎設施的建制化科研平臺項目，計劃以5年為周期，給予穩定經費支持。這些項目注重發揮中國科學院建制化優勢，將某一領域的領銜科學家團隊和重大科技基礎設施依托單位科研人員組織起來，利用重大科技基礎設施開展科研，強化跨所、跨設施、跨學科的建制化攻關。

以國家重大需求為導向設立建制化科研平臺，更主動地聯合攻關解決國家重大需求“卡脖子”問題。例如，中國科學院物理研究所瞄準下一代量子材料與技術，依托重大科技基礎設施開展“新奇量子物態與綜合極端調控”建制化科研項目。專項利用綜合極端條件實驗裝置、上海光源、中國散裂中子源等重大科技基礎設施具備的相關條件，聚焦先進量子材料與技術前沿研究中的重大科學問題，組建建制化研究團隊，開展建制化科研攻關，目前已初步形成在目標導向下利用全鏈條（材料的理論設計、計算和性能預測—材料制備—結構和物性表征—綜合極端條件下的物態調控—器件制備和性能測試）、多手段（時間、動量空間/實空間、溫度、壓力、磁場等），打破學科界限，促進交叉融合，以材料（物質）體系為載體，以物性的重大發現為突破口，以原型器件為應用目標的建制化科研協同攻關新模式。

發揮強強聯合優勢，綜合利用多種手段研究同一個科學問題。例如，聯合使用中國散裂中子源和高能同步輻射裝置，發揮中子源穿透能力強、對輕原子敏感的特點和同步輻射光實驗分辨率高、對重原子敏感的特點，對被測物品的性能給出多方位的判斷。

創新組織管理體系，建立項目首席科學家、顧問委員會和建制化科研平臺執委會制度。聘請國內相關領域多名院士和教授組成顧問委員會，為執委會制定戰略發展方向和研究目標等提供咨詢和建議。例如中國科學院上海高等研究院啟動了面向二氧化碳的光子科學建制化科研平臺項目，該項目瞄準二氧化碳捕集利用關鍵核心問題，主要依托上海光源，組建一支涵蓋光子科學、能源科學、材料科學等多學科交叉的建制化研究團隊進行科研。邀請二氧化碳捕集與轉化利用和光子科學領域的國內頂級專家以及能源領域龍頭企業、二氧化碳排放源主要企業的首席科學家作為科技咨詢組專家成員，提供顧問指導。上海光源積極推進制度措施優化，保障建制化項目研究機時。在具體運行中，科研團隊由中國科學院上海高研院進行雙聘管理，實行科研平臺主任和首席科學家雙負責人制，按照研究方向設置的課題組實行科研負責人和重大科技基礎設施負責人雙負責人制，一方面在研究領域上形成互補，一方面在團隊管理上形成合力。

目前，通過兩年的探索實踐，第一批試點項目取得了一批成果。

“新奇量子物態與綜合極端調控”建制化科研項目已取得了“系統研究了籠目結構超導體AV3Sb5的多種物性，揭示了超導、電荷密度波及反?；魻栃刃再|的起源和競爭關系”“發現單帶Mott絕緣體”“在鐵基超導材料鋰鐵砷（LiFeAs）中觀測到大面積、高度有序、可調控的馬約拉納準粒子格點陣列”“構建國際先進的量子計算云平臺”等為代表的階段性研究進展與成果。

二氧化碳的光子科學建制化科研平臺項目，發展了模擬工況條件的同步輻射原位X射線吸收譜實驗方法，在原子尺度上解析了臨氧條件下二氧化碳捕集—轉化過程中金屬位點氧化—還原的動態機制及其構效關系，設計了具備“犧牲位點”的吸附—催化雙功能材料，完成了準千方級小試，達到較高的碳捕集率和轉化率。目前聯合產業方初步完成驗證方案，為傳統高碳行業向低碳變革提供了有效途徑。

進一步挖掘重大科技基礎設施潛力

重大科技基礎設施已成為國家科技創新體系的重要單元，是基礎科學研究和高新技術發展的重要載體。為應對國際科技競爭的重大挑戰，迫切需要進一步挖掘依托重大科技基礎設施進行建制化基礎研究的潛力。

當前，空間集群化、功能集成化、設施建制化已經成為各國重大科技基礎設施的主要運行管理模式。平臺型重大設施與材料/生物研究重大設施、數據計算重大設施具有天然的“互補性”，重大科技基礎設施“組隊”和材料研究中心、數據計算中心等協同布局已成為發展趨勢。

強流重離子加速器裝置總工程師、中國科學院近代物理研究所研究員楊建成認為，為了更好支撐基礎前沿研究，我國要做好重大科技基礎設施建設的整體規劃，優化重大科技基礎設施的學科和地域布局。

中國散裂中子源探測器與電子學團隊負責人孫志嘉建議，加快推進“粵港澳大灣區光源”的落地建設，將散裂中子源與同步輻射光源組合，發揮重大科技基礎設施的集群效應，打造多學科前沿交叉應用平臺，支撐高新技術企業技術迭代，推動粵港澳大灣區高端制造業發展。

王貽芳認為，可以借鑒國際上其他重大科技基礎設施的組織模式，通過頂層設計，依托同步輻射裝置、散裂中子源等裝置，組建“四個面向”研究中心。例如建設面向世界科技前沿的成像研究中心、生物研究中心等；建設面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康的納米醫學研究中心、材料研究中心等；建設支撐科學研究的科學數據與計算中心等。

“中心要改變原有零碎的服務模式，通過組織國內優勢研究力量，在納米、材料、生物、環境等重要方向上形成相對固定的大團隊，以建制化、集團化的方式長期攻關，開展重大研究。”王貽芳表示。

“建制化基礎科學研究就是有組織的基礎科學研究，而有組織就是要定好目標、分好工。”孫志嘉說，在建制化基礎科學研究中，需要聚焦主責主業，發揮各自長處，形成合力。“這就好比一個木桶由十塊木板組成，每人手里有一塊木板，建制化基礎科學研究就是要把大家手里的木板拼到一起。每個人把自己這一塊木板做得盡可能長，而且拼成木桶時木板之間不漏水。”

盧方軍介紹，中國科學院將進一步促進研究人員和設施運行人員的深入合作，聚焦重大問題長期穩定開展聯合攻關，打造建制化科研新范式，加快實現從“在干什么”“能干什么”向“該干什么”的轉變。

◎ 來源|瞭望