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2014-11-06

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48期(总第758期)

校发展规划处编 (开阔思路追求一流) 20131105



没有天花板的舞台

——中国科技大学科研团队成长纪实

  20122013年度,英国自然出版集团发布旨在测度高品质基础科研实力的《自然出版指数》,中国科学技术大学蝉联中国高校第一,进入亚太地区科研机构前8名;近十年发表的SCI收录论文篇均被引次数位居中国C9高校之首;最新数据表明,该校有10个学科领域进入ESIESI数据库是美国科学情报研究所推出的衡量科研绩效、跟踪科学发展趋势的基本分析评价工具)世界前1%,其中物理学、化学、材料学、工程学等4学科领域进入世界1‰,位居中国高校第一……

近年来,中国科大高水平科研成果迭出,其卓越的创新能力令人瞩目。记者近日在中国科大采访了相关创新团队。走进这些团队,或许我们能渐渐了解这些成果何以能在中国科学技术大学诞生。

长远规划与战略眼光

今年6月份,由中国科大侯建国院士领衔的单分子科学团队的董振超研究小组,在高分辨化学识别与成像领域取得重大突破,在国际上首次实现了亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像。

董振超小组研制的单分子光电量子特性检测设备,真可谓十年磨一剑,有专家看过设备后对他说,“你这个工作只有在中国科大才能做成”。

2004年,董振超教授从日本国家材料科学研究所回国,加入中国科大的侯建国院士单分子科学团队。为什么选择科大,他的理由很简单,“最吸引我的是这个团队在单分子科学领域以实验和理论美妙结合而闻名于世,而且学术气氛非常活跃,这是非常难得和令人向往的”。

事实上,这种理论与实验结合的特点是在1997年单分子科学团队成立时就形成的。“理论和实验结合是一个趋势。微观世界里的现象十分复杂,实验结果固然最为重要,但必须得到理论的支撑,才能阐释现象的物理本质。”团队负责人之一、化学学院执行院长杨金龙教授说:“侯建国校长和我为团队定下了一个很具体的科学目标:在单分子这个尺度上,对分子的物理化学性质进行高分辨的表征、检测和操纵。”

于是团队的研究定下了这条路线图,首先要发展技术,因为没有创新性的设备是很难做出真正具有创新性的研究工作的。而董振超的加入,就是做以科学目标为导引的设备研发。

通过近10年的辛苦努力,董振超的单分子光电量子特性检测设备研制成功,可以在亚纳米的尺度上高分辨识别材料,成为了引领世界潮流的先进技术。在董振超看来,侯建国和杨金龙就像是这个团队的队长和副队长,“他们能从一个很高的高度来看问题,能看到团队能做什么,能走多远。”

“以前感觉一个人力量比较有限,但是随着团队的发展,特别是通过团队成员间‘不留情面’的尖锐研讨,团队中的每个人都在成长。”董振超觉得团队的发展布局,对大家的成长非常重要,“以前,个人可能只能做出‘一片树叶’的工作,但有了团队成员间的精诚合作,慢慢地就可以做成‘一棵树’,而且将来还有望做出‘一片森林’的事情来。”

被《新科学家》评价为“使得中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”的潘建伟院士的量子光学和量子信息团队,亦是一个在团队成立之初就定下长远规划与发展目标的例子。这个优秀的团队已凭借其丰硕的研究成果,5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”、4次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”、7次入选我国两院院士评选的“年度中国十大科技进展新闻”。今年6月,该团队又在国际上首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验。

2001年在科大建立实验室的时候,潘建伟就开始了布局,因为量子信息研究集多学科于一体,要想取得突破,必须拥有不同学科背景的人才。因此,他将不同学科背景的年轻人一一送出国门,分布到德国、英国、美国、瑞士、奥地利等量子信息研究的优秀国际小组加以锻炼。

如今,这些特意“放飞”国外的年轻人悉数回国,使这支团队得到了空前的壮大。

兴趣是合作的最大驱动力

几年前,刚刚从化学学院转到生命科学院的王均教授与生命科学院的胡兵教授只是在同一座楼工作的“点头之交”。那时候,化学学院的刘扬中教授可能正想找一位生科院的老师来给他的课题帮帮忙。

他们不会想到,几年后的现在,他们不仅组成了一个团队,发表了一些很有影响的科学成果,而且还能成为无话不谈的朋友。

2010年,中国科大鼓励45岁以下年轻人,自发组织一个团队研究感兴趣的科学问题。他们便组成了一支由7位引进人才组成的纳米生物学效应中心团队。

“科大从事纳米生物学研究有一段历史,这也是科学研究领域的一颗新星。科大有一支与纳米生物医药相关的队伍,集合了不同方向的人。我们几个当时都有交往,但是还没有真正进行合作。”王均说:“所以我们组成了3个方向研究:纳米药物输送、纳米材料的生物安全性、纳米生物效应的分子机制。”

今年,团队中孙斐教授课题组与王均课题组发现通过纳米材料的光热效应,可以对雄性哺乳动物进行高效安全的避孕控制,从而达到降低动物繁殖能力的目的。这项成果不仅发表在《纳米快报》上,还取得了很大的社会效应。

胡兵说:“交叉是我们这个团队很大的特点,我们的学科跨度很大:材料化学、神经生物学、免疫学、生殖学、分子生物学。”而能把大家吸引在一起的,正是共同的科学问题与兴趣。

“如果没有共同的科学问题是难合作的,只有双方都特别感兴趣的问题才能成功合作。”王均说,这样,不同学科的他们才能形成长效的、深入的合作。

“我们的合作也是因为文化理念和价值观趋同,有相似的教育背景,对科研贡献的判断、经费的管理、学术批评和学术交流有一致的理念。”胡兵补充道。

三年时间,这个团队不仅发表了很多篇高水平论文,而且诞生出王均、孙斐两位杰青。“相信我们继续做下去,会有更好的研究成果出来。”王均说。

学科交叉的魅力

如果说纳米生物学效应中心团队的成立,有一个在学校和科研处的引导下,从被动到主动的过程;那么,复合材料表界面关键科学问题团队中江俊、熊宇杰、宋礼这三位“青年千人”的结合则有了更多主动的味道。

在回国参加“青年千人”的答辩时,做理论模拟的江俊,碰到了做纳米材料制备、无机合成的熊宇杰。“宇杰在器件和材料方面做得非常好,发了《科学》的文章。他在实验过程中发现了很多有意思的机理问题,想继续探究。而我在理论上有一些预测,很想在实验上推进一下。”江俊向记者介绍了他们的“结合”过程,“我们俩讨论之后觉得,中间还缺乏一个过渡,理论到实验之间还需要一个做表征的。”这时候,做制备又做表征的宋礼来到科大。

这三位青年人发现相互有很多共同语言,正好学校鼓励大家申请创新团队,于是他们一拍即合。

宋礼说:“宇杰在材料化学上的成绩非常好,我是做材料的物理,通过江俊的物理化学理论将二者结合起来,做多学科交叉。我们都是19791978年出生的,年龄、经历都很相像,所以很自然地形成了这个团队。”

“我的方向项目是多尺度的模拟,为他们提供理论支撑。一方面解释实验现象,另一方面基于现象提炼规律。三方的领域,相互交叉和支持,形成一个稳定而尖锐的三角形,既协同解决核心的科学问题,又在各自的侧重点上实现突破。”江俊如此描述他们三人的关系。

今年,这个成立不到一年的团队成功申请到一项国家青年“973”项目。之所以能让得到权威专家的认可,是因为“我们三人在各自方向做了10多年的科研,积累了不少的经验和灵感。所以我们不是盲目交叉,而是聚焦于普适性的科学问题,把不同的方法和思路从各个角度交叉起来。”江俊说。

回国前,熊宇杰已经担任美国圣路易斯纳米中心主任。“我回国就是想做点事情。科大给了一个非常好的平台,能让我真正带领一个团队,做出一点事情来。”熊宇杰说,“我深深记得,侯建国校长说过,要给我们一方没有天花板的舞台。国外舞台是有的,但是会有天花板,而没有天花板的舞台在科大是存在的。”

  独特的科大氛围

谈到科大的学术氛围,董振超对记者说:“我很庆幸自己来科大工作,这里有一个活跃的学术交流平台和自由宽松的学术环境。”

胡兵说:“学校不是给你指令让你做出多少东西,不是‘挣工分’,而是更多地让你在一个相对气氛宽松的环境工作。竞争的压力是来自自己的科研追求,以及在同行眼里对自己的评价。”

而对于宋礼来说,让他感触最深的是:“管理部门效率非常高,教授可以真正做自己的主人。”

 “套用电视剧《亮剑》里的一句话:‘谁创建了这个军队,这个军队就有他的风格。’科大的氛围,就来自我们的传统。”中国科大科技处处长罗喜胜教授说,“这所中科院创办的大学秉承了中科院的风格,我们办事人员的风格与中科院是一脉相承的。没有行政化,学术自由、学术讨论,从建校之初就确立了这种氛围。侯校长说,管理就是服务。我们做任何事情首先是考虑老师的感受,考虑能不能最大程度地促进老师的科研。”

罗喜胜说,校学术委员会从制度上保证了这种学术自由的氛围。

如今中国科大有30多人入选“千人计划”,69人入选“青年千人计划”,在校的杰青有30多位。

“这就是一种‘正反馈’。俗话说,物以类聚,大家都觉得科大是个做学问的地方,做学问的人来得更多,这个氛围就越来越好。”在罗喜胜看来,这些引进的年轻人,就是一股股活的源泉,应将这种独特的科大氛围继续传承、发扬下去。 (《中国科学报》记者钟华)

(摘自《中国科学报》2013-09-26)



关于科学,你现在最该知道什么?


  从宇宙的奥秘到人为什么会做梦,人类至今依然有许多难题没有得到解答。而近日英国《卫报》进行了一些有益的尝试——他们试图解答位列前排的那几十大科学问题。这些谜题既可以说是科学巨轮前进方向上的灯塔,却也未尝不是所有“航海者”——科学家们的终极“噩梦”。

  这就是当今人们最该知道却最难于回答的20科学问题。

  问题一:宇宙由何组成?  尽管天文学作为一门科学,已经有了几百年的历史,但是天文学家们至今依然无法解决一个尴尬问题——那就是回答宇宙的95%是由什么组成的。

  我们周围由原子构成的、可见的世界,其物质总量仅仅占到宇宙的5%。经过以往80年的研究,人们终于确定是两种隐形的存在——暗物质和暗能量组成了那些剩余。暗物质首先于1933年被发现,它就像一种无形的胶水,将星系、星云粘合为一体。暗能量则直到1998年才为人所知,它是宇宙加速膨胀的推手。天文学家确信,他们已经越来越接近揭开这些神秘存在的真实身份的那一天。

  问题二:生命打哪儿来?  40亿年前,地球混沌一片的原始环境中,生命最初级的形态开始涌动。若干最基本的化学元素相互聚集,并开始了生化反应,最终产生了第一批可以自我复制的分子。而人类正是这些分子演进后的造物。

  不过这里有一个问题,彼时那些基本化学元素是如何自发排列出生命的形式?人类如何以及从何获取了DNA?世界上第一个细胞是什么样子?这个问题即便在化学家斯坦利·米勒“原生汤”理论提出一百多年后,依然众说纷纭。有人坚持认为生命来自火山边上的热水池,有人则更相信是陨石带来了生命。

  问题三:银河存知己?  问题的答案或许为“否”。

  一直以来,天文学家在宇宙中搜索地球可能存在的同类。尤其那些水以液态存在、可能产生生命的星球,如木卫二、火星甚至遥远的系外行星。功能强大的射电望远镜始终监控着宇宙中的信息。1977年,它们还接收了一个可能为外星人发出的信号。与此同时,天文学家们也在不停地扫描目标星体可能具有的大气层,以期寻找到氧气和水。随着技术的不断发展,接下来的数十年,或许将成为天文学家的狩猎季,仅在银河系内就有着近600亿个潜在的目标。

  问题四:我们缘何如此特殊?  如果仅仅从DNA上看,人类并不见得具有超越其它动物的特点。例如,人类基因组与黑猩猩有高达99%的相似,甚至跟香蕉也看起来差不多。而此前许多被认为是将人类与动物区分出来的特征,比如语言、使用工具、辨认镜中的自己等等,一些动物都可以做到。

  之所以我们没有与动物混为一谈,首先在于我们有着发达的大脑——人类大脑中的神经元数量是大猩猩的三倍。其次或许就是我们的文化,以及它与基因之间的相互作用。当然,也有学者认为对火的利用及其衍生的熟食习惯帮助了大脑的发育。此外,群居合作、交流、交换技术也促使我们脱颖而出,成为这个星球的主人。

  问题五:意识是个什么东西?  这个问题现在没有确切的答案。我们只知道,意识并不属于大脑的一部分,它实际上是由大脑不同的区域共同作用而产生。研究意识的问题,一条可行的思路是,循着摸清到底大脑的哪些区域参与了作用机制,以及神经系统的工作原理来展开。另外借助人工智能构建出一个高度仿真的模拟大脑,也可能有所裨益。

  不过,这些并不能从哲学层面回答意识存在的意义。一个合理的解释是,意识存在的目的,是帮助人类更好地适应生存。对于感官获得的外界信息,大脑并非简单地做出反应,而是通过整合、筛选、加工外来的信息,为人们甄别当下的现实,想象绚烂的未来提供支持。

  问题六:人为何会做梦?  人生苦短,其中还要拿出三分之一的时间来睡眠。不过即便花了这么多时间来睡觉,人们对睡眠的许多事情依然一无所知。科学家们就在试图解释为什么会睡觉和做梦。弗洛伊德理论的信徒们认为,梦表达了尚未实现的愿望,而这些通常跟性有关。也有人相信梦只不过是休息中的大脑某些混沌的思维。

  如今,动物实验以及脑成像技术的发展,已经令我们认识到梦对于人类记忆、学习和情感都会产生影响。比如,实验显示老鼠会在梦中重现自己清醒时的经历。目的应该是帮助自己在经常会被放入的迷宫中找到出口。

  问题七:物质是怎么回事?  关于这个问题的解释,或许会令人有些头疼。首先,构成人体的东西叫物质,它有一个和自己只存在电荷上的差异、名为反物质的“亲生兄弟”。不过两者最好是老死不相往来,因为相遇只会导致湮灭和消失。

  为什么会有这种兄弟倪墙的情况,合理的解释是,大爆炸造就了数量相当的正、反物质。因而一旦物质遇到它所对应的反物质,两者就会同归于尽,只留下能量。

  不过,就我们所在的宇宙而言,物质似乎更受造物主的偏爱,否则也就不会有人类的存在。至于为什么会这样,物理学家们正利用大型强子对撞机实验提供的数据来追寻答案,并将超对称性和中微子作为两个最具可能的突破点。

  问题八:一个,还是一群宇宙?  宇宙的存在,本身就是一个奇迹。所有必须的条件在同一时间恰好具备,哪怕有一点微小的设定更改,或许就不会有我们这样的生命存在。而从另一方面来讲,其他不同的设定条件下,是否会产生其他的结果。为了解决这个“微调”的问题,物理学家们的研究正日渐转向“其他的宇宙”。

  按照设想,如果有无数个宇宙存在于多元宇宙之中,那么这意味着每一种条件的组合,都会产生一个结果——就像人类所生存的这个宇宙一样。这听起来可能有些疯狂,但宇宙学、量子物理学提供的证据正佐证这个方向。

  问题九:碳排放,放在哪?碳排放现在是个热门词汇,那么为了地球的环境着想,碳最好排放到哪里去呢?

  在过去的数百年里,人类把地下的化石燃料作为工业的血液加以利用,而所排出的二氧化碳,则塞满了整个大气层。如今,气候变暖的压力之下,我们想要物归原主,把碳送回它们一开始来的地方,比如埋进废弃的油气田,或者深藏海底。不过,我们并不能保证这些方法会万无一失。在处理旧麻烦的同时,我们还必须保护森林、沼泽等自然界真正长久储放碳的地域,并积极开发利用低碳、无碳的清洁能源与新能源。

  问题十:太阳能否给予我们更多?  碳排放的压力,正迫使人们在控制石化原料消耗的同时,寻找一种新的能源供给。太阳,这颗距离我们最近的恒星,就提供了多种方案。首先我们已经在利用太阳能产生电力。此外,利用日光能量对水进行分解,得到氧气、氢气也不失为一条好的途径。氢气能够成为未来燃料电池汽车的动力来源。此外,科学家们也一直没有放弃对“无尽能源”核聚变的研究,希望这些方法可以解决人类对能源的不竭渴求。

  问题十一:质数它怎么了?  数学不灵光的人,一般对质数没有什么兴趣,但是他们之所以能够安全地网上购物,靠的正是这些只能被自己和一整除的数字保驾护航。

  信息安全是电子商务的核心。互联网专家们就通过将质数做成密钥来保护企业和客户的机密信息。不过,虽然质数对我们的日常生活起着至关重要的作用,它本身在学术上依然是个未解之谜。研究质数在自然数中分布规律的黎曼假设,几百年来一直吸引着最聪明的数学天才的目光,但至今无人可以给出完美解答。当然,某个怀揣不法之心的人的成功之日,或许将是电子商务的末日。

  问题十二:细菌能否彻底被击败?  自弗莱明爵士于1929年发现青霉素起,抗生学便成为医学重要组成部分之一。而他这项令其捧得诺贝尔奖的重大发现,第一次令人类在与细菌的万年战争中占到了一次上风。一批能够抵御最致命疾病的药物出现,手术、移植和化疗等医疗手段由设想化为现实。

  现在,近一百年过去了,弗莱明的这份遗产开始出现了问题。随着细菌的“与时俱进”,仅在欧洲,每年就有大约25万人死于多重耐药病菌。此外,不仅药物的供应渠道被诟病了几十年,抗生素的滥用更是将问题变得更糟——美国80%的抗生素竟然被用于刺激家畜的生长。

  幸运地是,基因测序技术正在帮助人类开发出细菌无法适应的抗生素。这些新药的研制方法或许听起来有些不善,比如从排泄物中“收编”良性细菌,又或从深海中寻找新型细菌,这些都令我们有机会在这场与有机物的军备竞赛中,取得领先。

  问题十三:计算机的极限在哪?  摩尔定律的存在,让计算机的发展成为一列停不下来的火车。今天我们人手一部的平板电脑和智能手机,比1969年美国人登月时所使用的电脑强大了不知多少倍。

  但现在我们需要考虑这样一个问题,在体积小型化日渐极端时,如何能够持续不断地提高计算机的能力。当处理器芯片的物理空间即将压榨殆尽,电脑制造商是不是可以考虑一种新的设计思路?或者开发类似石墨烯、量子计算等新材料和新系统?

  问题十四:治愈癌症可能吗?  直白地说,不会。因为癌症实际上并非单一的疾病,而是一种数百种的疾病因素的松散组合。早在恐龙时期就业已存在的癌症,肇始于各种基因缺陷,每个人都无法避免罹患癌症的风险。生命延续的时间越长,身体出现各种问题的可能性就越大。原因在于癌症也和我们一样,不断为了生存而进化着。

  不过,魔高一尺道高一丈。虽然癌症是一个复杂的存在,人类依然依靠遗传学研究,日益了解、把握其诱发的原因以及扩散的方式。针对癌症的治疗和预防措施也日臻丰富。事实上,每年全球370万例癌症病例中的一半以上,都是可预防的。基本措施包括戒烟戒酒,控制饮食,保持锻炼,避免长时间日晒等等。

  问题十五:机器人服务于人的时代?  如今的机器人技术,已经达到提供饮料、搬运行李等简单任务的程度。而与人类的社会分工一样,机器人的发展,将衍生出精于某一单项技能的专业工人:它们能按照你的亚马逊订单安排发货,熟练地挤牛奶,整理电子邮件,载着你往返于机场不同的候机楼。

  不过,尽管有了这样快速的进步,我们仍旧需要攻破机器人技术最大的一个瓶颈——人工智能。如果没有极高的自我思维能力,人们很难会完全放心地交给机器人独自照顾老人这样的任务。目前,日本已经计划于2025年前实现机器人照顾老人的设想,不过对此依然需要我们进行更细致的思索。

  问题十六:海底究竟有什么?  自出现在地球上,人类的生存发展一直与海洋休戚相关。但是直到今天,整个地区海洋中的95%依然没有人类涉足的痕迹。广袤的海洋深处,到底有什么?

  寻找该问题答案的尝试,从未间断。1960年,唐纳德·沃尔什与雅克·皮卡德借助深海潜艇,下潜了海面以下7英里处。这次探索极大地推进了深海研究的进程,不过限于当时的条件,他们并未获得太多的结果。

  由于对潜水设备的高要求以及人类身体的脆弱性,很多时候,我们只能依靠深潜机器人去执行任务,并且得到了许多新奇的发现。然而与整个海洋相比,这仅仅只是那个水下世界神奇魅力的九牛一毛。

  问题十七:黑洞的真相是什么?  目前回答这个问题是不可能的,理由之一是找不到可以承担研究任务的工具。不过我们可以从理论上着手。根据爱因斯坦广义相对论,恒星在寿命完结之后形成黑洞,这是一个持续不断的坍缩过程,最终将得到一个无限小的极高密度点,即“奇点”。

  只是,量子物理学家对此或许并不持赞同意见。作为广义相对论的对手,量子物理学数十年来从未表露丝毫愿意与前者“同流合污”的意思。不过,抛开双方对彼此的成见,一个被称为M理论的研究成果,或许能够回答黑洞中心到底有什么的谜题,揭开这个宇宙最极端造物的真面目。

  问题十八:长生不老行不行?  当今社会,科技的发展一日千里,这也给我们造成了一种感觉:衰老或许不是生物的必然宿命,相反,它是一种能够借助医学技术治疗预防或者暂缓的疾病。

  导致衰老的原因是什么?为什么某些特定生物的寿命长于其他?对于这些问题,尽管我们尚未厘清所有细节,但所掌握的答案已然越来越多——DNA损伤,老化、新陈代谢和优育之间的平衡,基因于其间的作用等等。这些都在逐渐组成一幅宏伟、完善的图景,或许还能够帮助人类改进药物疗法。

  不过,与其追求活得长久,倒不如提高这种长寿的质量。像糖尿病、癌症等许多疾病都属于老年病范畴,因而治疗这些老年病本身或许就是一个切入点。

  问题十九:人口如何不再是个问题?  自从上世纪60年代起,这个星球上的人口数量增加了一倍。而在现在70多亿的基础上,到2050年将会达到90亿。地球所能提供的空间是有限的,彼时人类如何提供充足的食物和燃料自给自足?

  这不是一个玩笑,而是一个需要认真思考的问题——不管是考虑火星移民,还是向地下拓展生存空间,抑或加快生物农业技术的发展。

  问题二十:时间穿梭有可能吗? 实际上已经有人实现了这种可能。按照狭义相对论的说法,环绕轨道运动的国际空间站中的宇航员,他们对于时间的感受,就要比地球上的同类们慢。当然,虽然空间站的速度已经够快,若要实现时间穿梭,依然差得很远。不过,如果能够做到持续加速,人类实现纵观千年也绝非不可能。

自然规律认定,人不可能踏进同一条河流。但物理学家们不这么想。他们已经制定了借助虫洞以及宇宙飞船实现时光回溯的蓝图。那时,你可以自己给过去的自己送上一份圣诞礼物,或是找到宇宙未解之谜的答案。 (本报记者张梦然 综合外电) ( 摘自《科技日报》2013-09-29)

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