世界领先“科研发动机”，让材料观测走出“真空”｜上海科技奖

量子材料为何具备独特性能？世界上海催化剂如何显著提升反应效率？新能源电池怎样实现更高能量密度？这些关乎未来产业核心竞争力的关键问题，最终都指向材料内部电子的领先行为机制。然而，科研科技长期以来，发动受限于实验条件，机让奖科学家只能在真空、材料低温等理想环境中研究电子结构，观测真实工况下的走出真空材料动态变化始终难以被直接观测。

位于上海张江科学城的世界上海“上海光源”（图源：新华社）

为破解这一行业难题，自2013年起，领先时任中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员的科研科技刘志带领团队，依托上海同步辐射光源，发动成功构建了能源环境新一代材料原位电子结构综合研究平台。机让奖该平台实现了在真实工况条件下对新材料电子物性的材料精准测量与调控，推动我国相关领域研究跻身国际前列。观测在7月2日揭晓的2025年度上海市科学技术奖中，该项目荣获科技进步奖一等奖。

让材料研究走向“真实世界”

随着新能源、量子信息等前沿领域的飞速发展，研发一套能在真实工况下观测材料电子行为的强大工具，已成为国际材料科学界的“兵家必争之地”。

2010年前后，中国科学院启动人才回归计划，邀请刘志、刘啸嵩等顶尖科学家回国，助力上海光源线站建设。彼时，刘志已是美国劳伦斯伯克利国家实验室终身研究员，在同步辐射光源领域积累了深厚成就。

作为国内最新的“第三代光源”，上海光源在设备硬件与性能指标上虽已具备国际先进水平，但在运行经验及研究深度上，与国际最顶尖装置仍存在一定差距。“我的目标是建立一个符合国际标准的世界领先光源平台，并打造一支高水平的装置运行与研究队伍，为科学家提供坚实支撑。”刘志回忆道。

2013年，刘志全职回国，作为项目负责人牵头国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目——在上海光源建设能源环境新一代材料原位电子结构综合研究平台。该项目包含两条光束线和三个实验站，也是当时基金委资助额度最大的单项科研仪器项目。

历经5年持续攻关，刘志与团队骨干带领研究人员攻坚克难，高标准、高质量地完成了建设任务。2019年，该平台正式开放运行，专家组评价其“综合性能国际领先”。

“2013年至今，中国在大科学装置上的投入位居全球之首。”刘志感叹，自己有幸赶上了中国大科学装置发展的黄金时代。

实现从技术引进到输出的跨越

同步辐射光源被誉为探索微观世界的“超级显微镜”。然而，光源越亮，产生的热量越大，精密光学元件越易发生形变，从而导致成像精度下降。“既要亮度高，又要精度高”，一直是国际同步辐射领域的技术瓶颈。

刘志团队给出的创新解决方案是设计一种全新的APPLE-Knot波荡器。据他介绍，团队成员乔山、周巧根通过重新设计波荡器磁铁排布，优化电子运动轨迹，首次实现了实验所需光束与热量的有效分离。这一突破将束线热负载从千瓦级大幅降至60瓦以下，使上海光源获得了接近理论极限的能量分辨率。

如今，这项原创技术已被英国第三代光源“钻石光源”（Diamond Light Source）采纳实施，标志着我国在同步辐射核心技术领域实现了从“技术引进”到“技术输出”的历史性跨越。

近常压光电子能谱实验站（上海科技大学供图）

另一项关键突破，则让电子结构研究真正走出了实验室。过去，光电子能谱实验只能在接近宇宙真空的环境下进行，而催化剂、电池等材料在实际工作中往往处于高温、高压环境。团队自主研发了新一代近常压电子能量分析器，建成了国内首个同步辐射近常压软X光谱学线站，使科学家首次能够在接近真实工作环境下直接观察材料电子行为。

与此同时，团队还建成了国际首个集成阿秒超快激光、深紫外激光与真空紫外同步辐射光源的角分辨光子能谱实验站。该装置实现在时间、空间、动量和能量四个维度上的超高分辨探测能力，形成了区别于国际同类装置的核心竞争力。

一台“科研发动机”驱动创新生态

世界首例具有本征相干性的光阴极材料、首次实验证实新型交错磁性结构、低碳制氢催化机理解析……新一代材料原位表征科学平台开放运行以来，一项项国际前沿成果从这台“科研发动机”中诞生。

据统计，该平台已累计向国内外89家高校、科研院所及企业提供超3万小时用户机时，服务668项科研课题。依托该平台发表的学术论文多达500余篇，其中11篇发表于国际顶尖学术期刊《自然》《科学》等。

与此同时，平台持续赋能国家新兴产业，例如助力某新能源车企开展动力电池材料改性研究，并为上海光源二期、软/硬X射线自由电子激光装置、合肥先进光源等重大科学工程提供原型技术和关键验证平台。

多年来，这一平台还培养了一批活跃在我国大科学装置建设一线的科技人才。刘啸嵩已加入合肥国家同步辐射实验室，领导最新的第四代合肥同步辐射光源建设；团队中多人出任上海软/硬X射线自由电子激光线站主要负责人。目前，平台核心团队已完成代际更替，越来越多80后、90后科研人员走上科研管理一线岗位。

“每次看到有团队利用我们的工具取得新发现，我都感到非常欣慰。”在刘志看来，只有拥有领先世界的科研工具，中国科学家才能真正探索到别人未曾抵达的科学疆域。

(责任编辑：探索)