在极限处寻找国家竞争力的源头——与院士一起“追问极限”

发布者：华南佬头 2026-7-11 10:08

编者按

7月10日，在中国科学院学部第十届学术年会全体院士学术报告会上，几位院士围绕各自领域的前沿探索发表真知灼见。他们研究的对象各不相同——从水分子中的氢原子到单原子催化剂，从蝗虫释放的化学信号到用化石证据回答“我们从哪儿来”，从硅基发光的V缺陷到高温超导的电子配对……但在“追问极限”这个意义上，他们的报告形成了一种奇妙共鸣。

原子利用率能不能推到100%？超导转变温度能不能逼近室温？原子核能不能当成波来处理？生命演化的链条能不能再往前推几千万年？他们在尝试回答。而这些问题背后的逻辑高度一致，那就是——在极限处寻找国家竞争力的源头。

科研人员在位于四川稻城县的子午工程二期圆环阵太阳射电成像望远镜设备运维现场与工作人员交流。新华社发

王恩哥：把原子核当成波来处理打开未知物态的大门

“过去一百年，我们在研究凝聚态物质时，习惯把电子做量子处理，注重它的波动性，而把原子核做经典处理，当成粒子。简单地讲，这种方法叫玻恩-奥本海默近似。”中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员王恩哥的报告从这句“翻案”式的判断开始，“但当你不断逼近真实的微观世界问题时，这个近似就不够用了。”

王恩哥要追问的是：原子核的量子效应到底能不能忽略？尤其是在质量最轻的氢原子核身上。

为了看清这个问题，王恩哥团队建立了超越玻恩-奥本海默近似的理论研究框架，对电子和原子核自由度进行全量子描述，并原创高阶静电力成像原理，自主研发超高分辨扫描探针技术。“分辨率和灵敏度都推到了极限。”他在报告中展示一张张原子级分辨率的图像，“我们看见氢原子，实现了人类识别最小原子的梦想。”

关键发现是什么？王恩哥给出一组数据：单根氢键中，核量子属性的贡献达14%，超过常温热效应的影响。更深刻的是他们揭示出的规律——全量子效应“强化强氢键，弱化弱氢键”。王恩哥解释：“过去实验看到水中存在大量长短不一的氢键，如果采用玻恩-奥本海默近似理论却只算出一个平均值，怎么都对不上。考虑原子核的量子属性，全量子模拟给出长短氢键的统计分布与实验一致，水的结构就这么确定了。”

比“看见”更重要的，是“调控”。2004年，王恩哥团队预言了一种二维冰，2020年，他们终于在实验室制备出打破“冰规则”的二维冰，2022年，他们进一步在二维冰中通过高密度氢掺杂诱导核量子效应，在常压下把绝缘的二维冰变成金属冰。“这证明考虑原子波动性的全量子效应可以作为一个全新的调控参量。”他说，“我们可以在常压下做高压下才能做的事。”

他向现场听众展望这一发现的深远意义：“全量子效应不仅是一个物理问题——在化学反应中，它可以设计新的反应路径；在生命体中，它可以诱发DNA自发突变。未来研究化学、生命、能源、环境问题，只研究电子的波动性是不够的，还要研究原子的波动性。”

“微观世界不是宏观世界的缩小版，反过来也一样。”王恩哥进一步阐释，“这两个世界如何联系、如何过渡，是物理学最基本的问题之一。而在全量子效应的研究中，我们正在思考如何得到这个问题的答案。”

张涛：单原子催化让每一个金属原子都成为“战士”

“一些特殊领域的催化剂，贵金属含量有时占30%以上。”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的报告，从一组对比鲜明的数字开始，“贵金属稀缺、昂贵，我们能不能让每一个原子都发挥作用？”

2011年，张涛团队在氧化铁载体上成功制备出铂单原子催化剂，并提出“单原子催化”概念。15年过去了，这个概念已从一则“学术新闻”发展为多相催化领域的前沿方向。

“单原子催化的本质，是把金属的原子利用率推到极限——100%。”张涛解释，“每一个单原子都可以发挥作用，不存在‘躺在内部不干活’的体相原子。”

除了提高原子利用率，单原子催化还会改变反应的吸附机理。他用一个形象的对比说明单原子催化的独特之处：“以乙炔加氢为例，乙烯在多原子位点上以σ键强吸附，容易过度加氢；在单原子中心只能以π键弱吸附，选择性大幅提升。”

更深刻的变化在于研究范式。张涛指出，多相催化一百多年来面临的核心难题是催化剂表面活性位结构复杂多样，很难建立构效关系。“单原子催化剂结构均一、活性位明确，为我们提供了原子尺度理解催化机制的理想模型。催化从经验优化走向原子级理性设计，终于有了可行的路径。”

目前，元素周期表中主要金属元素均已实现单原子分散，单原子催化剂在50余种反应中被证明显著优于传统催化剂。同时，单原子催化的概念还辐射到生物医学领域，“单原子酶”被用于伤口检测。

“催化是现代化学工业的‘心脏’，80%以上的化工过程涉及催化。”张涛说，“用最少、最精准的原子做最高效的催化，这就是单原子催化对国家战略资源安全最直接的回应。我们正在推动单原子催化迈向更精准、更智能、更实用的新阶段。”

康乐：破译蝗虫“集结号”，在分子层面守护粮食安全

“蝗虫群聚是蝗灾暴发的直接诱因，但50多年来，全世界科学家都在找同一个东西：到底是什么化学信号让散居的蝗虫聚集成群？”中国科学院院士、中国科学院动物研究所研究员康乐的报告从这个悬而未决的问题切入。

“我们找到了，是4-乙烯基苯甲醚，4VA。”康乐团队从飞蝗释放的35种挥发物中一步步筛选，最终锁定4VA。化学分析、行为验证、电生理记录、嗅觉受体鉴定、基因敲除、野外诱捕——六个层面的证据层层递进，终结了半个世纪的争议。嗅觉受体OR35也随之被鉴定出来。

“群聚信息素的发现只是第一步。”康乐说，“我们还要回答：它怎么来？怎么阻断它？”

康乐团队完整揭示4VA在蝗虫体内的生物合成通路，找到关键合成酶，并筛选出抑制剂4-硝基苯酚。“喷洒后，群居蝗虫释放4VA的量明显下降，群聚行为被阻断。我们不仅能‘监听’蝗虫的通讯，还能‘干扰’它。”

更出人意料的是蝗虫的“双信号策略”。康乐团队发现，群居蝗虫同时释放4VA和苯乙腈（PAN）——前者召集同伴，后者警告天敌，遇到攻击时PAN还能转化为剧毒的氢氰酸。“召集与防御并行，蝗虫用两种化学信号维系蝗群的稳定和迁徙，这就是它成灾背后的化学原理。”

在信号传导机制上，康乐团队还发现一个非主流路径，即蝗虫感知4VA不经过经典的GPCR通路，而是直接用IP3作为第二信使传递信号。“这是我们揭示的昆虫特有的嗅觉感知方式。”

站在国家需求的角度，康乐报告的重要性不言而喻。“我国有18亿亩耕地红线，蝗灾是粮食安全的老对手。从群聚信息素到合成通路到抑制剂，我们建立了一套完整的分子靶标体系。联合国粮农组织评价说，这将大大提高蝗灾预测和防控水平。”

“研究不仅揭示蝗虫化学通讯的奥秘，也为全球蝗灾的可持续防控提供关键理论支撑。用科学手段从‘虫口夺粮’，这就是我们对国家粮食安全的责任。”他表示。

周忠和：用化石证据回答“我们从哪儿来”

“自达尔文以来，对生命及人类起源的探讨，已成为科学界的重大命题。”中国科学院院士、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员周忠和在报告中说，“地质学与古生物学，为回答‘我们从哪儿来’提供了最基础的证据。”

最早的生命何时出现？目前公认的最早实体化石距今约34.5亿年，而37亿至41亿年前的岩石中已发现生命存在的化学信号。从生命起源到寒武纪大爆发，跨越了约30亿年。中国科学家的发现不断刷新认知：16.4亿年前的壮丽青山藻，是最早的多细胞真核生物；6亿年前的瓮安生物群，保存着动物胚胎化石；5.5亿年前，就已出现两侧对称动物……这些发现弥补了前寒武纪化石记录的不足。

在中国科学院天津工业生物技术研究所，科研人员对菌株进行形态及颜色分析。新华社发

环境剧变与生命跃升密切关联。24亿至22亿年前的大氧化事件推动了真核生物的出现；7.5亿至5.2亿年前的“雪球地球”后，地球迎来第二次大氧化事件，海洋和大气富氧直接促成动物的起源和寒武纪生命大爆发。

5.18亿年前的澄江生物群，以大量软躯体化石揭示早期动物的爆发式创新，奠定了现生动物门类的基本框架。其中，澄江中的昆明鱼和海口鱼，是迄今最古老的脊椎动物；约4.36亿年前的重庆化石库发现的秀山鱼、沈氏棘鱼，已拥有上下颌，这是脊椎动物走向繁盛的关键革新；约4.25亿年前的梦幻鬼鱼，是肉鳍鱼类的最早祖先，而肉鳍鱼正是所有四足动物的源头，华南则是肉鳍鱼类的早期辐射中心。

脊椎动物登陆的历程同样清晰：3.7亿年前的提塔利克鱼，是最接近四足动物的肉鳍鱼，格陵兰的鱼石螺是最早的四足动物之一。植物先一步登陆，为鱼类登陆创造了条件。四足动物登陆后，羊膜卵的出现让爬行动物完全适应了陆地。约2.05亿年前，兽孔类的一支演化出早期哺乳形动物。出自我国云南和东北的化石完整记录了哺乳动物颌关节和中耳的形成过程。

6600万年前，小行星撞击和火山喷发终结了恐龙时代，为哺乳动物腾出生态位。约700万年前，直立行走的古人类出现；280万年前，人属诞生；31万年前，智人出现在非洲；6至7万年前，又走向全世界。古DNA研究表明，现代人曾与尼安德特人、丹尼索瓦人共存并有基因交流，大多数现代人血脉里都有他们的基因。

周忠和最后总结：“化石记录虽然不完整，但新的发现将不断修正已有认知。人类并非演化的必然终点，只是无数偶然事件累积的结果。但也正因如此，万物共祖、共生，我们才不孤单。”

江风益：把半导体缺陷从“大害”变“大用” 走通自己的路

“20多年前，大多数人认为在硅上做氮化镓LED做不成。热膨胀系数差太大，生长完一降温就龟裂。”中国科学院院士、南昌大学教授江风益的报告从一段非共识的选择开始，“但我们选了这条路。”

23年的努力，换来的是一系列“没想到”。江风益在报告中列举了四个：“没想到硅基氮化镓LED单面出光，在方向光应用市场有优势；没想到攻克了‘黄光鸿沟’——566纳米黄光功率效率32.7%，峰值光效71%，结束了缺高效黄光LED的历史；没想到这条路成了AR眼镜微型显示屏的共识路线；更没想到我们的理论方法反哺了全球同行。”

科研团队在湖南花垣县石栏镇磨子村野外科考中采集化石。新华社发

四个“没想到”背后，是一个从材料生长、芯片工艺、专用装备到器件物理的完整创新链条。而其中最颠覆认知的，则是江风益团队对“缺陷”的重新定义。

传统观念里，晶体缺陷越少越好。但江风益发现，硅基氮化镓中位错诱导形成的大V缺陷，反而可以“变害为利”。“P型氮化镓嵌入V缺陷侧壁，形成三维PN结，让空穴从势垒高的极性面转向势垒低的半极性面注入量子阱，大幅提升注入效率。”

他用辩证法总结这一发现：“V缺陷研究初期认为‘有大害’，要越少越好；后来认为‘无大害但有小害’，要越小越好，这是否定；我们证明不能太小，要比较大才有显著优势，这是否定之否定。V缺陷大到一定程度，二维PN结发展到三维PN结，这是量变到质变。有位错的V缺陷区域负责空穴注入，无位错的区域负责内量子效率，两者比例不能太大也不能太小，这是对立统一。”

这一“V缺陷三维PN结”理论被国际同行广泛引用，包括诺奖得主中村修二教授团队，并反哺了蓝宝石基氮化镓LED。

应用层面同样令人振奋：硅基氮化镓LED已与硅基电路晶圆级集成，研制出分辨率为6773PPI的微型显示屏和全球首款黄光AR眼镜，重量仅为37克。

基础元器件搞不定，产业链就受制于人。江风益说，硅基氮化镓这条路，中国走通了。“它让中国拥有了一条完全自主的半导体照明产业链，跟日美并立，有些方向甚至超越了。”

薛其坤：从欧姆定律到量子优越逼近零电阻，追问无止境

“1826年欧姆导出欧姆定律。两百年了，我们对导电性的追问从未停止。”中国科学院院士、南方科技大学教授薛其坤的报告从最经典的物理学定律切入，一路讲到最前沿的超导量子计算，“从欧姆定律到量子霍尔效应，从超导到高温超导，各种新形式的‘欧姆定律’不断拓展物理学的边界。”