作者:花梨舒 来源: 中国科学报 发布时间:2019/7/5 9:15:51
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上海光源:打造中国版“亥姆霍兹”

 

如果科学研究有一个“理想国”,它应该是什么样子?

上海光源曾以“自破土到出光仅用了3年时间”的速度,创下了一个世界纪录。2014年恰逢中科院研究所分类改革的契机,他们以建设大科学中心为抓手,立足张江这个全球最密集的大科学装置群,为我国重大研究设施向社会开放探索完整的机制,树立起一块全国可复制、可推广的样板。2017年9月,张江实验室的挂牌,上海光源的整体划转,又逐渐拓展形成全新格局。

俯瞰张江科学城,一座座大科学装置拔地而起。中科院在上海张江所努力打造的,恰恰是集聚全球创新资源的“强磁场”、创新成果的“原产地”,又是顶级科学家的“孵化器”、高水平科技人才的“培养皿”。

一个全球规模最大、种类最齐全、功能最强的光子大科学装置群正在逐步形成。在这座冉冉升起的创新“理想城”,探索建立科研“理想国”,意义非凡。

上海光源全景 胡蔚成摄

 

■特约撰稿 花梨舒

今年5月6日,我国大陆首台第三代同步辐射光源——上海光源,迎来了向用户开放十周年的“生日”。

这个从农田中破土而出的“鹦鹉螺”,是由中国科学院与上海市共建的首个大科学装置。过去十年间,以上海光源为中心,院市合作、建设大科学装置的“东风”,正在浦东张江涌流:国家蛋白质设施已投入使用;上海光源线站二期工程16条线站顺利推进;软X射线自由电子激光装置与活细胞成像装置不断优化;硬X射线自由电子激光装置土建工程已全面展开;百拍瓦超强超短激光装置也在加紧攻关……到2025年,这些装置全面建成时,张江综合性国家科学中心将成为世界上大科学装置最密集的地方。

如何将这些大科学装置联接成一个相互协同、紧密配合的“朋友圈”?一条可行之路是建立大科学研究中心,仿效德国的亥姆霍兹联合会,打破大科学装置间的“围墙”,使它们能并指成拳,为中国乃至世界科技创新,释放出更强大的力量。

以中科院研究所分类改革为契机,2014年11月,中科院院长办公会议批准筹建中科院上海大科学中心——打造中国版“亥姆霍兹”,迈出了新征程的第一步。

崛起张江:科研重器构筑科技创新地标

 

2018年2月,张江实验室管理委员会第一次会议现场。图片来源:中科院上海分院官网

今年5月,美国加州大学圣克鲁兹分校教授戴维德·贝朗格不远万里,慕名来到上海光源做实验,缘于同行对上海光源优异性能的共同赞誉。

曾几何时,中国科学家只能站在“世界同步辐射俱乐部”的门外,靠申请国外大科学装置的机时艰难开展实验研究。

1993年12月,丁大钊、方守贤、冼鼎昌3位中科院院士前瞻性地向国家提议:“在我国建设一台第三代同步辐射光源”。1995年3月,中科院与上海市政府商定,将这台大科学装置落地张江。

在十几年漫长的立项、预研与建设过程中,中科院调集了大量精兵强将来到中科院上海应用物理研究所,参与光源建设。2009年5月,上海光源建成。如今,经过十年运行,上海光源在国际同类中能第三代光源中的产出成果数量与质量均位居前列。从去年起,上海光源开始接受全球科学家的申请,迄今已服务了16个国家的177名科研人员。

形似巨大的鹦鹉螺,电子能量高达3.5G电子伏特的同步辐射光,从432米储存环中被一条条光束线站引出。上海光源已经成为支撑国内诸多学科领域前沿“领跑”和高技术发展不可或缺的实验平台——

稳定运行十年,用户从第一批20人增长到累计24684人,每年向用户稳定供光5500小时,实验支持用户发表论文逾5000篇,其中高水平论文(SCI一区)1500余篇,包括在《自然》《科学》《细胞》上发表96篇。

上海光源直接助力我国结构生物学实现快速发展。2009年以前,国内同步辐射装置解析出的蛋白质晶体结构仅有99个,而依靠上海光源,现在已多达3775个。其中,埃博拉病毒、禽流感病毒等重要蛋白质的解析,为全球公共卫生事件的解决作出了重要贡献。

借助上海光源,我国物理学家发现了外尔费米子、三重简并费米子。这是世界物理学界90年来的首次发现,对研发室温低能耗电子器件有重要价值,还可用于量子计算机的设计制造。

在新能源、新材料、环境保护、文物保护等领域,上海光源频频助力用户取得突破。中科院院士包信和利用上海光源开展纳米催化研究,成为上海光源首个登上《科学》的成果。

就在上海光源向用户开放之际,蛋白质设施开始兴建,并于2015年7月通过国家验收。作为全球生命科学领域首个以各种大型科学仪器和先进技术集成为核心的综合性大科学装置,截至2018年底,蛋白质设施累计提供用户机时46.7万小时;实验研究支撑发表SCI论文714篇,包括在《自然》《科学》《细胞》上发表39篇。

以提升原始创新能力和支撑重大科技突破为目标,近年来,中科院在沪持续布局建设一批大科学装置,一个全球规模最大、种类最齐全、功能最强的光子大科学装置群正在逐步形成,将有力提升我国在相关研究领域的国际话语权。

与此同时,中科院与上海市政府联合,积极布局世界一流科学城、世界一流实验室,打造高水平创新基地。预计到2025年,这些重大设施与创新机构建成运行后,将吸引全球越来越多的科学家来沪开展前沿科学研究,一座“科研重镇”的雏形已经显露出来。

“科研重镇”也将是人才高地。大科学装置为各类科技人员成长提供了广阔舞台,成为顶级科学家的“孵化器”和高水平科技人才的“培养皿”。

今年,上海光源有两位优秀用户刚刚当选美国科学院外籍院士。“十年间,上海光源聚集了一批优秀科学家及团队。”中科院上海大科学中心主任、中科院上海应用物理研究所原所长、中科院上海高等研究院副院长赵振堂说,在上海光源的用户中,有两院院士53人,“百人计划”“杰青”“千人计划”科学家领衔的团队400多个。

破除围墙:大科学装置建起全球朋友圈

俯瞰张江科学城,当一座座大科学装置拔地而起,科学家不禁思考起这样一个问题:由于建设主体单位不同,这些大科学装置是否会变成一个个科研创新的“孤岛”?即便每个设施都“力拔山兮”,若难以形成合力,则势必无法发挥出最强大的潜能。

赵振堂说,破除大科学装置之间的“围墙”,使所有大装置携手并进、各展所长,是筹建上海大科学中心的“初心”,也是其承担的使命。

2014年,中科院启动研究所分类改革。建立大科学中心,成为负责运行上海光源的上海应用物理所给中科院提出的一个建议。当年12月,中科院党组做出决定:在上海建立大科学中心,探索大科学装置集群的新型运作机制。

“我们做了大量的前期准备工作,但体制机制上的‘破墙’并非易事。”赵振堂说,最初设想是建立光子科学中心,但张江实验室的挂牌以及上海光源的整体划转,逐渐拓展形成全新格局。

 

上海光源实验大厅 胡蔚成摄

国家蛋白质科学研究(上海)设施

科研人员在工作。国家蛋白质科学研究(上海)设施供图

作为中科院与上海市开展的新一轮院市合作项目,张江实验室致力于将中科院的学科基础优势和人才团队优势,与上海突出的改革优势、创新优势和国际化优势相结合,使上海成为国家实验室成长的“沃土”和“家园”。

2017年5月,中科院党组作出决定,将中科院在上海的大科学装置全部划归中科院上海高等研究院,以支持张江实验室建设。

当年9月,张江实验室挂牌。上海大科学中心成为其下属的一个机构,挂靠上海高等研究院,为大科学装置打造“朋友圈”的“破墙”之路正式起步。

“这只是我们探索大科学装置联合机制的第一步。”赵振堂表示,打造一个世界级的共享实验平台,必须有一流的运行设施、高效开放的共享机制以及先进的技术支撑和管理服务,实现“装置—方法—研究”紧密结合,有利于提升实验能力,产出重大和重要成果。

“因此,建设和稳定一支高水平的运维队伍十分重要,面对张江企业‘四面楚歌’挖人的现状,我们还需要在凝聚队伍上做更多探索。”赵振堂说,有了出色的人才,有了高水平的运维队伍,才能不断改进用户实验的技术支撑条件(包括专业实验室、样品保存和准备、数据储存和处理等),并提高管理服务水平(包括课题申请、审批、执行与实验服务等)。在此基础上,大科学装置群才能面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场,全方位开放合作,聚焦重点,加强产业和区域辐射,不断产出重大成果。

现在,上海大科学中心拥有一支600多人的精干研究团队。这支团队通过同步辐射光源、蛋白质设施、自由电子激光装置和光束线站的建设及运行,已成为我国大科学设施设计建设、新技术研发、设施运维和前沿交叉研究的国际科技劲旅。

上海光源曾以“自破土到出光仅用了3年时间”的速度,创下了一个世界纪录。赵振堂表示,他们将利用好研究所分类改革的契机,以建设大科学中心为抓手,立足张江这个全球最密集的大科学装置群,为我国重大研究设施向社会开放探索完整的机制,树立起一块全国可复制、可推广的样板。

统筹协同:打造科研“理想国”

如果科学研究有一个“理想国”,它应该会是这个样子:一名科学家提出一个重大科学问题,来自不同领域的科学家帮他将问题分解,并设计出一系列实验,然后利用这里拥有的一流大科学装置,以最优、最快的途径探寻科学真知。

中科院在上海张江努力打造的,恰恰是这样一个集聚全球创新资源的“强磁场”、创新成果的“原产地”。在这座冉冉升起的创新“理想城”,探索建立科研“理想国”,意义非凡。

对大科学装置进行统筹管理,保持其性能的优越,最终目的还是为了服务用户。赵振堂认为,效仿德国亥姆霍兹联合会,打造中国版“亥姆霍兹”,是上海大科学中心的未来发展目标。

成立于2001年的德国亥姆霍兹联合会拥有18个国家科研中心,其最大特点在于打破了以往各法人科研中心各行其是的运行框架,也突破了政府部门主导科技经费管理的模式。它以重大科学问题为导向,在联合会内部实施科研人员主导的五年科技任务规划,并根据计划内容的国际竞争力配置国家拨付的科研经费。

“对于大科学装置集群的联合运行,亥姆霍兹联合会是一个很好的参考。”赵振堂透露,近两年来,上海大科学中心已建立了经费管理、岗位聘任、项目实施等统筹管理制度,为即将形成的大科学装置联盟夯实了基础。

首先,一家科研机构如果希望进入大科学中心,必须拥有“入会资格”。赵振堂说,拥有“入会资格”意味着“拥有大科学装置”。比如,目前已经加入上海大科学中心的4家科研单位,都有已经建成或正在建造的大科学装置。除了上海光源和蛋白质设施,还有中科院上海微系统与信息技术研究所、上海科技大学。前者在上海光源出资建造了两条光束线站,后者则是硬X射线自由电子激光装置的项目法人单位。

其次,在上海大科学中心内部,将最终建立起一套提供“一门式”实验解决方案的流程。何建华说,“以后科学家带着科学问题来,由中心召集各路专家,一起对问题进行分解,再合理安排使用各种大装置上的机时,使科学问题能得到最高效的解决。”

中科院上海有机化学研究所研究员周佳海是上海光源和蛋白质设施的“双料”用户。他的学生几乎每个月都跑去张江做实验。“如果去一次就能完成所有实验,那将使科研效率大大提升。”周佳海希望大科学中心早日推出“实验套餐”的定制服务。

最终,上海大科学中心将面向国家重大战略需求,依托国际一流的大科学装置集群,形成以大装置群为核心、以交叉研究平台为桥梁、集聚高水平科学与技术团队的研究基地,对接上海张江综合性国家科学中心的建设和管理模式,发展成为综合型国家实验室。

赵振堂透露,面向国家重大战略需求和重大前沿科学问题,上海大科学中心已经在光子科学、生命科学、物质科学等领域部署了一系列高端用户项目,未来将与全球科学家开展更为广泛深入的合作。

 

储存环隧道 胡蔚成摄

 

《中国科学报》 (2019-07-05 第4版 纪实)
 
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