国家科学技术奖背后的创新故事

编者按7月8日，国家故事2025年度国家科学技术奖正式揭晓。科学这一系列重磅奖项不仅见证了中国科技事业的技术奖背跨越式发展，更凝聚了无数科研工作者“甘坐冷板凳”的创新坚守与探索。本报特别推出深度报道，国家故事解读代表性获奖项目，科学挖掘奖项背后科研团队的技术奖背创新故事与科学精神。

一、创新 撬动催化原子“力”：单原子催化的国家故事中国方案

科技日报记者 张蕴

催化剂被誉为化学工业的“发动机”。每年，科学价值千亿元的技术奖背贵金属作为催化剂被广泛应用于工业反应，但在实际催化过程中，创新大部分被称为“化学明珠”的国家故事贵金属催化剂因利用率低而难以被充分应用，造成了巨大的科学资源浪费。

如何最大化利用每一颗“明珠”？技术奖背答案隐藏在原子的微观世界中。

中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员张涛带领团队，提出了“单原子催化”这一颠覆性新概念，开辟了催化研究的新领域。

1. 从“黑箱”到“理性设计”的跨越

催化的本质，是利用被称为“活性位”的特定原子组合，将反应物快速转化为产物。近百年来，催化科学始终面临一个核心追问：能否让每一个金属原子都成为“活性位”，实现原子利用率的理论极限？

若能实现这一目标，不仅催化效率将实现质的飞跃，更重要的是，一旦在原子尺度看清活性位的结构和行为，催化过程将不再是一门“黑箱艺术”，而是转变为可理性设计的科学过程。这正是张涛团队二十余年攻关的目标。

2. 从0到1的原始创新

• 20世纪80年代：当国际催化界还在纳米尺度优化催化剂颗粒时，张涛已着手探索高分散金属催化。
• 2009年：历经二十余年潜心攻关，张涛团队成功制备出国际上第一例可实际应用的负载型单原子催化剂 Pt/FeOₓ。
• 2011年：团队与清华大学李隽教授、亚利桑那州立大学刘景月教授等合作，在国际上率先提出“单原子催化”概念。

3. 构建完整学科框架

在此基础上，团队拓展出硝基芳烃选择加氢、C-H键选择氧化、烯烃氢甲酰化等一系列新反应，发现了单原子配位环境这一关键描述符，发展出预测稳定性的热力学模型和电化学势窗口模型，并揭示了动态单原子催化等新机制。从概念、机理到稳定性理论，中国科学家构筑起一个完整的新学科框架。

7月8日，在国家科学技术奖励大会上，“单原子催化”荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。这一从原子尺度重新定义催化的原始创新，彰显了中国科学家在前沿基础研究领域的领先身位。

4. 从实验室走向工业应用

如今，在“单原子催化”概念引领下，全球数千个研究组跟进，相关成果已在氯乙烯生产、精细化工、制药等领域实现大规模工业应用。

张涛表示：“我们不仅完成了世界首例实用型负载金属单原子催化剂的设计，更提出了‘单原子催化’这一科学概念，对整个催化乃至化学、材料等领域产生了深远影响。”

5. 坚守初心的科研之路

1963年，张涛出生于陕南秦巴山区。20世纪70年代，恢复高考和研究生招生的政策改变了他的人生轨迹。一本讲述诺贝尔奖获得者的书籍点燃了他对化学的热爱，他立志考入中国科学院大连化学物理研究所。

走出大山并非易事。在寒气逼人的冬夜，张涛裹着大棉袄、穿着毛靴，在孤灯下啃读每一本收集来的书籍。这种不服输的劲头，沉淀为他日后二十余年坐“冷板凳”的定力。

随着“单原子催化”概念入选美国化学会十大研究、中国科学院改革开放40年标志性科技成果以及国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）“2025年度化学领域十大新兴技术”，中国催化科学完成了从跟跑、并跑到领跑的历史性跨越。这一由中国科学家提出并系统发展的原创概念，成为催化科学百余年历史中刻有中国印记的基础理论突破。

张涛感悟：“基础研究是科学技术发展的原创动力。有了‘从0到1’，才能够进一步推动‘从1到10’‘从10到100’。”

二、 看穿水的“量子心”：破解氢键之谜

科技日报记者 陆成宽

水是地球上最常见的物质，却隐藏着物理学界最顽固的难题。其结构之谜、氢键本质之谜，困扰了一代又一代科学家。为了揭开谜底，北京大学教授王恩哥、江颖带领团队，潜心研究水的全量子效应长达25年。

7月8日，他们凭借“水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究”荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。

1. 打破百年近似：给原子核“解冻”

微观世界中，电子和原子核既是粒子也是波。1927年，物理学家玻恩和奥本海默为简化计算，提出“玻恩-奥本海默近似”：假设原子核太重、运动太慢，将其“冻结”，仅考虑电子的量子行为。

这一近似成为近百年凝聚态物理的理论基石。王恩哥形象地比喻：“这就像远远看一枚一元硬币，能猜出面值，却看不清正反面的文字。”

王恩哥团队研究的全量子效应，则是给原子核“解冻”，同时对电子和原子核进行量子化处理，并考虑两者间的量子耦合。“这好比把硬币拿到手上，翻给你看两面，并告诉你这两面是有关联的。”

2. 双剑合璧：理论与实验的突破

水是研究全量子效应的最佳试验场。水中三分之二的原子是质量最轻的氢原子，量子效应显著。更重要的是，决定水反常性质的氢键，百年来未被真正厘清。

• 理论突破：2002年，王恩哥与美国物理学家费贝尔曼关于水在金属表面分解的争论，让他意识到玻恩-奥本海默近似可能遗漏了关键信息。团队利用费曼路径积分，避开希尔伯特空间复杂的高维解析求解，发展出国际领先的全量子效应计算软件。
• 实验创新：江颖原创了高阶静电力扫描探针显微术，研制出世界顶尖的自主仪器。借助这台“火眼金睛”，科学家在人类历史上首次“看清”了水分子内部飘忽不定的氢原子，并精确测量出单根氢键的强度。

3. 颠覆性发现

拥有看清氢原子的“眼睛”和解释氢键的“头脑”后，一系列颠覆性发现接踵而至：

1. 核量子效应贡献巨大：看似微弱的核量子效应对氢键强度的贡献高达14%，远超室温下的热效应。其规律简洁而深刻：弱化弱氢键、强化强氢键，从而解释了水中氢键长短不一的现象。
2. 打破格罗特斯机制：首次发现质子在氢键网络中可以四个协同“齐步跳”，打破了200多年来描述质子分步传输的格罗特斯机制。
3. 调控物态新范式：将全量子效应变为调控物态的“旋钮”，在常压下使二维冰从绝缘态转变为金属态，为冰的金属化乃至超导研究迈出重要一步。
4. 揭示“幻数效应”：揭示了离子水合物的“幻数效应”。

4. 25年坚守，见证非凡

从被认为是“做不出大文章”的冷板凳，到如今国家自然科学奖的最高领奖台，王恩哥等人用25年时间证明：最寻常的水里，藏着最不寻常的科学。

他们建立了超越玻恩-奥本海默近似的全量子凝聚态物理研究新范式，证明了原子量子态的重要性，提出了全量子物理研究的理论方法，并自主研发了尖端实验设备，取得了世界领先成果。

三、 铸就炼钨“无形锅”：攻克高温金属加工难题

科技日报记者 沈唯

在距离地面约400公里的中国空间站里，“无容器材料实验柜”正在对铌合金、锆合金、钨合金等高温金属材料进行极端条件下的熔炼考验。

然而，空间实验成本高昂且机会有限。因此，在地面预演失重与悬浮实验，再送往空间站，成为最经济可行的路径。为此，中国科学院院士、西北工业大学教授魏炳波带领团队，打造了一套模拟太空环境的科学实验系统，解决了高性能难熔合金加工提纯的世界级难题，攻克了高温金属材料的深过冷技术。

7月8日，魏炳波团队的研究成果“空间极端条件下高温金属材料超常调制技术与科学实验系统”荣获2025年度国家技术发明奖一等奖。

1. 寻找炼钨的“无形锅”

钨是自然界中熔点最高的金属（3422℃）。用激光熔化钨容易，难的是找不到能盛放它的坩埚。魏炳波比喻：“如果把钨比作要炒熟的饭，难点在于找不到合适的‘锅’——饭没熟，锅先化了。”

在太空中，无重力环境使材料样品悬浮，无需容器即可炼钨。魏炳波团队致力于在地球上模拟这一过程，通过静电悬浮、电磁悬浮、超声悬浮、气动悬浮四种方式，让样品在空中悬浮。

2. 突破静电悬浮技术瓶颈

其中，静电悬浮难度最大。原理虽不复杂，但挑战在于稳定控制：“如果只抵消纵向重力，样品仍会横向飞走。”

魏炳波团队耗时20年，找到了横向与纵向电场的最优组合，实现了既有悬浮力又有约束力的稳定控制。

“虽然静电悬浮概念由外国科学家率先提出，但我们在技术上实现了超越——可处理材料样品直径达15毫米，远超国外普遍可做的6毫米。”魏炳波自豪地说。

3. 从“实验室”到“生产线”

“无形的锅”造好后，关键在于做出国家需要的“饭”。

我国钢铁产量虽居世界第一，但在特种金属材料制备上仍是短板。魏炳波团队利用自主研制的系统，开展高温金属材料无容器深过冷与快速凝固研究。

以水为例，过冷水结冰极快。同理，过冷态的钨水快速结晶时，晶体生长速度可达每秒40多米。这意味着，原来需要十几天制备的大型钨合金部件，未来可能一秒钟即可完成。

4. 民族尊严驱动的创新

从科学实验装备到材料调制技术，魏炳波已在这条路上走了30年。谈及坚持的动力，他想起在德国宇航院工作时的经历：尽管收入丰厚，但作为外籍学者，每次讨论空间实验时都被要求离场。

“发自内心的民族尊严让我下定决心回国，一定要创造一套中国人自己的科学实验系统，把核心技术掌握在自己手中。”

随着中国空间站稳定运行，空间材料科研成果日益丰硕。魏炳波表示，团队正积极规划，力争在5到10年内实现成果转化，将这套科学实验系统变为具有工业生产价值的原创性装备，服务于国民经济主战场。

四、 钻出白垩纪“金柱子”：解读地球气候密码

科技日报记者 代小佩

7月8日，国家科学技术奖励大会在北京召开。“松辽盆地国际大陆科学钻探工程：创新与发现”荣获2025年度国家科学技术进步奖一等奖。

1. 应对气候变暖的“历史镜像”

近期北半球历史性高温引发关注。中国科学院院士、中国地质大学（北京）教授王成善指出，地球历史上曾经历“冰室气候”和“温室气候”。当前处于冰室气候，但温室气候才是地球常态。

上一次温室气候出现在白垩纪（恐龙时代），其特征为“三高”：高温、高二氧化碳浓度、高海平面。研究白垩纪气候，为人类应对未来可能到来的温室气候提供了重要参考。

2. 钻探“时间胶囊”

如何知晓亿万年前的气候？答案藏在岩石中。王成善团队决定在松辽盆地实施科学钻探工程，获取完整的白垩纪岩石记录。

项目分三个阶段实施：
* 松科一井：锁定白垩纪—古近纪生物大灭绝界线。
* 松科二井：识别白垩纪大洋缺氧事件。
* 松科三井：揭示白垩纪中期有机质分布规律。

3. 协同创新的“交响曲”

2006年，项目启动，技术难题接踵而至。以松科二井为例，700多根钻杆连成7公里长、重达200吨的钻杆柱，下井时如面条般摇晃。

这不是一个人的战斗，而是一部协同创新的交响曲：
* 吉林大学：研制“地壳一号”万米钻机，完成“首战”，创亚洲国家大陆科学钻井新纪录。
* 中国地质调查局：完成松科二井钻探工程，创四项世界纪录。
* 中国地质大学（武汉）：研制耐超高温（241℃）水基泥浆体系，支撑成功完钻。

在约26万平方公里的松辽盆地，科研工作者埋头苦干16年：
* 松科一井钻探 2485.89米
* 松科二井钻探 7018米
* 松科三井钻探 3600米

2021年，项目组获得长达8186.96米的连续岩心，构建了全球首个陆相白垩纪地层“金柱子”。

4. 精度提升，揭示气候奥秘

找到岩心只是第一步，解读岩心才是关键。中国地质大学（北京）团队利用高精度物理测量和年代标定技术，将岩心描述精度从米级提升至厘米级，连续时间标尺精度从百万年提高至万年。

得益于松辽盆地科学钻探工程：
* 中国科学家对全球陆相白垩纪成果的贡献度提升了15%。
* 国际地球科学界评价其为全世界的“灯塔工程”。

5. 向地球深部进军

在河北燕郊的中国地质调查局自然资源实物地质资料中心，8000多米的岩心被精心保存，承载着厚重的历史。

苏联钻机曾钻探至地下约1.2万米，但这不及地球平均半径的0.19%。王成善表示，人类“入地”的探索大幕才刚刚开启。向地球深部进军，他期待看到更多年轻的身影、先进的装备以及了不起的协作创新。

责任编辑：贾京京 UN989

(责任编辑：娱乐)