國家科學(xué)技術(shù)獎背后的創(chuàng)新故事
來源： 科技日報(bào)
2026-07-09 20:19:00
編者按 7月8日，2025年度國家科學(xué)技術(shù)獎揭曉。一項(xiàng)項(xiàng)重磅獎項(xiàng)，見證了我國科技事業(yè)的跨越式發(fā)展，也承載著無數(shù)科研工作者“甘坐冷板凳”的堅(jiān)守與探索。本報(bào)推出特別報(bào)道，解讀代表性獲獎項(xiàng)目，挖掘獎項(xiàng)背后科研團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新故事。
撬動催化原子“力”
科技日報(bào)記者 張?zhí)N
催化劑是化學(xué)工業(yè)的發(fā)動機(jī)，每年有價值千億元的貴金屬作為催化劑被用于工業(yè)反應(yīng)，但在實(shí)際的催化反應(yīng)中，大部分的“化學(xué)明珠”——貴金屬催化劑卻難以被人類應(yīng)用，令人惋惜。
如何用好每一顆“明珠”？答案就藏在原子的力量里。中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員張濤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出“單原子催化”新概念，開辟了研究新領(lǐng)域。
7月8日，在國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，“單原子催化”摘得2025年度國家自然科學(xué)獎一等獎。這一從原子尺度重新定義催化的原始創(chuàng)新，讓世界看到中國科學(xué)家在前沿基礎(chǔ)研究的領(lǐng)先身位。
催化的本質(zhì)，是一群被稱為“活性位”的特定原子組合，把反應(yīng)物快速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。近百年來，催化科學(xué)始終在追問同一個問題：能不能讓每個金屬原子都成為“活性位”，讓每一個原子都“上崗”？這樣一來，金屬的利用率就能推到理論極限，催化效率將實(shí)現(xiàn)躍升。同時，一旦在原子級別看清活性位的結(jié)構(gòu)和行為，催化就不再是“黑箱藝術(shù)”，有可能成為可以理性設(shè)計(jì)的科學(xué)過程。這正是張濤團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)的目標(biāo)。
20世紀(jì)80年代，當(dāng)國際催化界還在納米尺度優(yōu)化催化劑顆粒時，張濤已著手探索高分散金屬催化。二十余年的潛心攻關(guān)，終于在2009年迎來爆發(fā)點(diǎn)——張濤團(tuán)隊(duì)成功制備出國際上第一例可以實(shí)際應(yīng)用的負(fù)載型單原子催化劑Pt?/FeO?。2011年，團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)教授李雋、亞利桑那州立大學(xué)教授劉景月等合作，在國際上率先提出“單原子催化”概念。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)而拓展出硝基芳烴選擇加氫、C-H鍵選擇氧化、烯烴氫甲酰化等一系列新反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了單原子配位環(huán)境這一最具特征性的描述符，發(fā)展出能預(yù)測穩(wěn)定性的熱力學(xué)模型和電化學(xué)勢窗口模型，還揭示了動態(tài)單原子催化等新機(jī)制。從概念、機(jī)理到穩(wěn)定性理論，中國科學(xué)家構(gòu)筑起一個完整的新學(xué)科框架。
如今，在“單原子催化”概念引領(lǐng)下，國內(nèi)外數(shù)千個研究組跟進(jìn)，相關(guān)成果已在氯乙烯生產(chǎn)、精細(xì)化工、制藥等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。張濤說：“我們不僅設(shè)計(jì)完成了世界首例實(shí)用型負(fù)載金屬單原子催化劑，而且歸納總結(jié)提出了‘單原子催化’概念，這個科學(xué)概念對整個催化乃至化學(xué)、材料等領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大影響。”
“基礎(chǔ)研究是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的原創(chuàng)動力。有了‘從0到1’，才能夠進(jìn)一步推動‘從1到10’‘從10到100’?！睆垵@樣向記者闡釋基礎(chǔ)研究的意義。而他從秦嶺深處的山間小路走向世界催化之巔的軌跡，恰是這段話最生動的詮釋。
1963年，張濤出生在陜南。20世紀(jì)70年代，國家恢復(fù)高考和研究生招生的春風(fēng)吹進(jìn)了秦巴大山。一本講述諾貝爾獎獲得者的書，點(diǎn)燃了他對化學(xué)的熱愛。于是，他瞄準(zhǔn)了中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，決定要在這里讀研究生。
但走出大山從來都不是一件容易的事。秦巴山區(qū)的冬夜寒氣逼人，張濤裹著大棉襖、穿著毛靴，在孤燈下啃著收集來的每一本書?；貞浧鹉嵌翁魺粢箲?zhàn)的日子，張濤笑聲里依然帶著當(dāng)年那股不服輸?shù)膭蓬^。隨后，他如愿考取了中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究生。正是這種執(zhí)著，沉淀為日后二十余年坐“冷板凳”的定力。
當(dāng)“單原子催化”概念從實(shí)驗(yàn)室走向世界，當(dāng)“單原子催化”先后入選美國化學(xué)會十大研究、中國科學(xué)院改革開放40年標(biāo)志性科技成果以及國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）“2025年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”，中國催化科學(xué)終于完成了一次漂亮的位勢轉(zhuǎn)換——從長期跟跑、并跑，進(jìn)入領(lǐng)跑的新階段?！皢卧哟呋边@個由中國科學(xué)家提出并系統(tǒng)發(fā)展的原創(chuàng)概念，也成為催化科學(xué)百余年歷史中刻有中國印記的基礎(chǔ)理論突破。
看穿水的“量子心”
科技日報(bào)記者 陸成寬
水是地球上最常見的物質(zhì)，卻藏著物理學(xué)界最頑固的難題。它的結(jié)構(gòu)之謎、氫鍵本質(zhì)之謎，困擾了一代又一代科學(xué)家。為了揭開這些謎底，北京大學(xué)教授王恩哥、江穎帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，潛心研究水的全量子效應(yīng)長達(dá)25年。
7月8日，在國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，他們憑借“水的氫鍵強(qiáng)度及動力學(xué)過程全量子效應(yīng)研究”獲得2025年度國家自然科學(xué)獎一等獎。
故事要從微觀世界的奇妙規(guī)則說起。電子、原子核這些小家伙，既是粒子也是波，這是量子力學(xué)的基本常識，也是習(xí)慣于用宏觀視角看問題的人們最難理解的地方。1927年，物理學(xué)家玻恩和奧本海默為了簡化計(jì)算，做了一個“聰明”的假設(shè)：原子核太重，運(yùn)動太慢，干脆把它“凍”住，只考慮電子的量子行為。這就是玻恩-奧本海默近似。
這個“近似”好用極了，近100年來一直是凝聚態(tài)物理的理論基石。對此，王恩哥有個生動的比喻：“這就像拿著一枚一塊錢的硬幣遠(yuǎn)遠(yuǎn)地看，能根據(jù)大小猜出面值，卻看不清正反面的文字?！?/p>
而王恩哥等人研究的全量子效應(yīng)，就是給原子核“解凍”，把電子和原子核同時進(jìn)行量子化處理，還要考慮兩者之間的量子耦合?！斑@就好比一個硬幣放到你手上，把兩面都翻給你看，而且告訴你這兩面是有關(guān)聯(lián)的?！蓖醵鞲缯f。
水是研究全量子效應(yīng)的最佳試驗(yàn)場。水中三分之二的原子是質(zhì)量最輕的氫原子，量子效應(yīng)最為顯著。更重要的是，決定水幾乎所有反常性質(zhì)的氫鍵，百年來一直沒被真正研究清楚。
2002年，王恩哥和美國物理學(xué)家費(fèi)貝爾曼有一場關(guān)于水在金屬表面能否自發(fā)分解的科學(xué)爭論。這場爭論讓他隱約感覺到，玻恩-奧本海默近似可能漏掉了什么。從那時起，他帶著學(xué)生一頭扎進(jìn)了水的量子世界。
突破來自理論與實(shí)驗(yàn)的雙劍合璧。理論方面，王恩哥團(tuán)隊(duì)利用費(fèi)曼的路徑積分，巧妙避開了希爾伯特空間復(fù)雜的高維解析求解災(zāi)難，發(fā)展出一套國際領(lǐng)先的全量子效應(yīng)計(jì)算軟件。實(shí)驗(yàn)方面，江穎另辟蹊徑，原創(chuàng)了高階靜電力掃描探針顯微術(shù)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)造出了世界頂尖的自主儀器。正是借助這臺“火眼金睛”的儀器，科學(xué)家在人類歷史上首次“看清”了水分子內(nèi)部飄忽不定的氫原子，并精確測量出單根氫鍵的強(qiáng)度。
有了看清氫原子的“眼睛”和準(zhǔn)確解釋氫鍵作用的“頭腦”，一系列顛覆性發(fā)現(xiàn)接踵而至。他們發(fā)現(xiàn)，看似微弱的核量子效應(yīng)，對氫鍵強(qiáng)度的貢獻(xiàn)竟高達(dá)14%，遠(yuǎn)超室溫下的熱效應(yīng)，而且其作用規(guī)律非常簡潔：弱化弱氫鍵、強(qiáng)化強(qiáng)氫鍵。正是這個規(guī)律，使得水中氫鍵有長有短。
他們的研究不僅解開了老謎題，更發(fā)現(xiàn)了新的物理現(xiàn)象。團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子在氫鍵網(wǎng)絡(luò)中可以四個協(xié)同“齊步跳”，這打破了200多年來被用于描述質(zhì)子分步傳輸?shù)母窳_特斯機(jī)制。最近，他們還將全量子效應(yīng)變成一個調(diào)控物態(tài)的“旋鈕”，在常壓下使二維冰從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，向冰的金屬化乃至超導(dǎo)邁出了重要一步。此外，離子水合物的“幻數(shù)效應(yīng)”也被他們揭示。
關(guān)于水的全量子效應(yīng)的研究，王恩哥等人一堅(jiān)持就是20多年。這些年，他們沒有去追熱點(diǎn)，而是埋首于水的量子世界，一根氫鍵一根氫鍵地測，一個原子一個原子地看。如今，他們建立了超越玻恩-奧本海默近似的全量子凝聚態(tài)物理研究新范式，證明了原子量子態(tài)的重要性，提出全量子物理研究的理論方法，并自主研發(fā)了尖端實(shí)驗(yàn)設(shè)備，取得了世界領(lǐng)先成果。
從當(dāng)初被認(rèn)為是“做不出大文章”的冷板凳，到如今國家自然科學(xué)獎的最高領(lǐng)獎臺，王恩哥等人用25年時間證明：最尋常的水里，藏著最不尋常的科學(xué)。
鑄就煉鎢“無形鍋”
科技日報(bào)記者 沈唯
在距離地面約400公里的中國空間站里，有一臺名為“無容器材料實(shí)驗(yàn)柜”的特殊裝置。鈮合金、鋯合金、鎢合金等一系列需要在極端條件下熔煉的高溫金屬材料，都曾在這臺“煉丹爐”里經(jīng)受高溫考驗(yàn)。
然而，開展空間實(shí)驗(yàn)成本極高且機(jī)會有限，因此先在地面預(yù)演失重與懸浮實(shí)驗(yàn)，再將材料樣品送往空間站，成了最經(jīng)濟(jì)可行的實(shí)驗(yàn)路徑。為此，中國科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)教授魏炳波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打造了一套模擬太空環(huán)境的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)利用這套系統(tǒng)解決了高性能難熔合金加工提純的世界級難題，攻克了高溫金屬材料的深過冷技術(shù)，為航空航天、能源、國防等領(lǐng)域的工業(yè)生產(chǎn)提供了應(yīng)用價值。
7月8日，在國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，魏炳波團(tuán)隊(duì)的研究成果“空間極端條件下高溫金屬材料超常調(diào)制技術(shù)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”獲得2025年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
鎢是自然界中熔點(diǎn)最高的金屬，在高達(dá)3422℃的高溫環(huán)境下，鎢才能被煉成鎢水。
用激光束熔化鎢容易，難的是找不到能盛放它的坩堝。魏炳波比喻說：“如果把鎢比作我們要炒熟的飯，那炒這碗飯的難點(diǎn)就在于找不到合適的‘鍋’——還沒等飯炒熟，鍋就先熔化了?！?/p>
于是科學(xué)家們開始探索如何用無形的“鍋”做“飯”。在太空中，沒有重力影響的材料樣品可以懸浮在空中，因此在這樣的極端條件下，不用容器就能煉鎢。
魏炳波介紹，團(tuán)隊(duì)研制的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可通過靜電懸浮、電磁懸浮、超聲懸浮、氣動懸浮四種方式，讓實(shí)驗(yàn)樣品在地球也能浮在空中。其中，實(shí)現(xiàn)靜電懸浮的難度最大。魏炳波說，其原理并不復(fù)雜，“真正的挑戰(zhàn)在于穩(wěn)定控制，如果只把縱向的重力抵消掉，樣品還是會橫向飛走”。
為此，魏炳波和團(tuán)隊(duì)花了20年時間，才找到橫向與縱向電場的最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)了既有懸浮力又有約束力的穩(wěn)定控制。
“雖然靜電懸浮的概念由外國科學(xué)家率先提出，但現(xiàn)在我們已經(jīng)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了超越和領(lǐng)先——可處理的材料樣品直徑達(dá)15毫米，遠(yuǎn)超國外普遍可做的6毫米。”魏炳波自豪地說。
無形的“鍋”雖然造好了，但真正能產(chǎn)生價值的，還是用它做出國家需要的“飯”。
“我國鋼鐵產(chǎn)量連續(xù)30年穩(wěn)居世界第一，但生產(chǎn)常規(guī)條件下難以制備的特種金屬材料，仍是我們的短板?！蔽罕ㄖ毖浴?/p>
利用自主研制的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，魏炳波團(tuán)隊(duì)正在開展高溫金屬材料無容器深過冷與快速凝固研究。
魏炳波以水為例解釋，過冷態(tài)的水結(jié)冰極快，正常狀態(tài)下的水在冰箱冷凍幾個小時才能結(jié)冰，而過冷態(tài)的水只需不到一秒就可結(jié)冰。“把水換成鎢，這個原理同樣適用。過冷態(tài)的鎢水快速結(jié)晶時，晶體的生長速度可達(dá)每秒40多米。這意味著原來需要十幾天才能制備一個數(shù)十噸的大型鎢合金部件，未來用我們的技術(shù)可能一秒鐘就能完成。”魏炳波說。
從科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備到材料調(diào)制技術(shù)，魏炳波已經(jīng)在這條創(chuàng)新路上走了30年。談及堅(jiān)持的動力，他想起了自己在德國宇航院空間模擬研究所工作的日子。彼時他的收入是在國內(nèi)的數(shù)倍，但每次討論空間實(shí)驗(yàn)時，他作為外籍學(xué)者都被要求離場。
“發(fā)自內(nèi)心的民族尊嚴(yán)讓我下定決心回國，我們一定要創(chuàng)造一套中國人自己的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，把核心技術(shù)掌握在自己手中。”魏炳波說。
隨著中國空間站在軌穩(wěn)定運(yùn)行，空間材料的科研成果也日漸豐碩?！拔覀冊炝诉@口無形的‘鍋’，又做出了這碗‘飯’，不是為了關(guān)起門來自己享用，而是要讓它在國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場上發(fā)揮作用?！蔽罕ǔ錆M信心地說，目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)積極開展規(guī)劃，力爭在5到10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，將這套科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)變?yōu)榫哂泄I(yè)生產(chǎn)價值的原創(chuàng)性裝備，生產(chǎn)更多可應(yīng)用的高價值材料。
鉆出白堊紀(jì)“金柱子”
科技日報(bào)記者 代小佩
7月8日，國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在北京召開?！八蛇|盆地國際大陸科學(xué)鉆探工程：創(chuàng)新與發(fā)現(xiàn)”榮獲2025年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎。
這是一項(xiàng)什么研究，解決了什么科學(xué)問題？科技日報(bào)記者采訪了項(xiàng)目主要完成人——中國科學(xué)院院士、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）教授王成善團(tuán)隊(duì)。
近期，北半球遭遇歷史性高溫天氣，氣候變暖再度引起關(guān)注。
20多年前，王成善就意識到，氣候變暖是人類面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在46億年的演化歷史中，地球經(jīng)歷了冰室氣候、溫室氣候兩種狀態(tài)?，F(xiàn)在處于冰室氣候，最顯著特征是高緯度地區(qū)覆有冰蓋?！暗覛夂虿皇堑厍虺B(tài)，溫室氣候才是。”王成善說。
地球上一次經(jīng)歷溫室氣候是白堊紀(jì)——恐龍生活的時代。這個時代有“三高”：高溫、高二氧化碳濃度、高海平面。國際科學(xué)界普遍認(rèn)為，白堊紀(jì)氣候能為人類應(yīng)對可能到來的溫室氣候提供參考。
白堊紀(jì)距今約1.45億年至6600萬年，這么久遠(yuǎn)的地球氣候，人類如何知曉？
答案藏在巖石中?？茖W(xué)家根據(jù)巖石沉積物能反演地球古環(huán)境和古氣候，而獲取地球深部巖石最直接的手段就是鉆探。為此，王成善決定，在中國松遼盆地實(shí)施科學(xué)鉆探工程，獲取完整的白堊紀(jì)巖石。
“松遼盆地國際大陸科學(xué)鉆探工程”項(xiàng)目分三個階段實(shí)施：松科一井，鎖定白堊紀(jì)—古近紀(jì)生物大滅絕界線；松科二井，識別白堊紀(jì)大洋缺氧事件；松科三井，重點(diǎn)揭示白堊紀(jì)中期有機(jī)質(zhì)分布規(guī)律。
2006年8月18日，隨著項(xiàng)目開展，技術(shù)難題接踵而至。王成善回憶，打松科二井時，700多根鉆桿連成7公里長的鉆桿柱，重達(dá)200噸。這么一個龐然大物，下井時也像面條一樣搖搖晃晃。
好在，王成善團(tuán)隊(duì)不是孤軍作戰(zhàn)。吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制出“地殼一號”萬米鉆機(jī)，并在松科二井完成“首戰(zhàn)”，創(chuàng)下亞洲國家大陸科學(xué)鉆井新紀(jì)錄；中國地質(zhì)調(diào)查局團(tuán)隊(duì)完成松科二井鉆探工程，創(chuàng)下四項(xiàng)世界紀(jì)錄；中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）團(tuán)隊(duì)研制出耐超高溫（241℃）的水基泥漿體系，為松科二井成功完鉆完井提供重要支撐……
在約26萬平方公里的松遼盆地上，科研工作者們埋頭苦干，一年又一年。松科一井鉆探2485.89米，松科二井7018米，松科三井3600米，耗時16年，白堊紀(jì)地質(zhì)“拼圖”終于完成。2021年，項(xiàng)目組獲得長達(dá)8186.96米的連續(xù)巖心，構(gòu)建了全球首個陸相白堊紀(jì)地層“金柱子”。
“這不是一個人、一支隊(duì)伍的勝利，而是一部協(xié)同創(chuàng)新的交響曲。”王成善說，“沒有國家實(shí)力和我國科技總體水平躍升，就沒有松遼盆地科學(xué)鉆探的成功?！?/p>
白堊紀(jì)巖心找到了，新的接力開始了——標(biāo)定巖心“年齡”，解讀巖心奧秘。利用高精度物理測量和年代標(biāo)定的全流程方法技術(shù)體系，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）團(tuán)隊(duì)把巖心的描述精度從米提升到了厘米，把連續(xù)時間標(biāo)尺的精度從百萬年提高到了萬年，為全球開展白堊紀(jì)古氣候研究提供了高精度時間標(biāo)尺。
由于看得更清和更準(zhǔn)，恐龍時代的氣候狀況逐漸被揭曉。得益于松遼盆地科學(xué)鉆探工程，中國科學(xué)家對全球陸相白堊紀(jì)成果的貢獻(xiàn)度提升了15%。國際地球科學(xué)界評價，松遼盆地科學(xué)鉆探是全世界的“燈塔工程”。
在河北燕郊的中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源實(shí)物地質(zhì)資料中心，8000多米的巖心被精心分類、悉心保存、認(rèn)真標(biāo)定，其承載的厚重歷史，等待著被發(fā)現(xiàn)和講述。
蘇聯(lián)的鉆機(jī)曾鉆探到地下約1.2萬米，這是人類迄今鉆探最深處。但這個數(shù)字不及地球平均半徑的0.19%。王成善說，人類“入地”的探索，大幕才剛剛開啟。
向地球深部進(jìn)軍，王成善期待看到更多年輕的身影、先進(jìn)的裝備，以及了不起的協(xié)作創(chuàng)新。