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中科院纳米卓越中心:见微知著

2019-07-02



“DNA纳米机器人”研究成果示意图 国家纳米科学中心供图
最近,国家纳米科学中心(以下简称国家纳米中心)研究员聂广军收到一张奖状。在2018年第一届“率先杯”未来技术创新大赛决赛中,他带领团队完成的项目“肿瘤治疗纳米机器人”获得优胜奖。 他拿起手机,第一时间把这个好消息告诉了合作者、国家纳米中心研究员丁宝全。事实上,几个月前,俩人已经分享过一次成功的喜悦,这次算是喜上添喜。 2018年2月,聂广军与丁宝全、国家纳米中心主任赵宇亮以及美国亚利桑那州立大学颜灏等4个课题组合作,在《自然—生物技术》上发表了一项成果。他们首次利用智能纳米机器人在活体实验动物血管内稳定工作,高效完成定点药物输运。2018年,该成果与人工智能、孤性繁殖等一起入选“世界七大技术进步”。2019年初,该成果还入选2018年度中国科学十大进展。 这一“里程碑”式的成果,堪称中科院纳米科学卓越创新中心(以下简称纳米卓越中心)4年建设发展历程的代表性工作,也是“卓越”两字的生动体现。最近,聂广军等人正在推进DNA纳米机器人产业化的相关工作。 “聚焦‘0到1’的科学问题,吸纳全世界优秀人才,长期围绕一个重大科学问题进行深入、系统研究,以实现创新引领发展的国家战略。”接受《中国科学报》采访时,赵宇亮谈到自己对纳米卓越中心的理解。 作为当今世界上最活跃的科技前沿,纳米科学汇聚了现代物理、化学、材料、生物等学科领域在纳米尺度的焦点科学问题,促进了多学科交叉融合,孕育着众多原始创新和科技突破的机会,正在逐步成为技术变革和产业升级的重要源头。 见微知著,正是纳米科学技术最令人着迷之处。 “产业需要纳米科学” 纳米,原本是一个长度单位,指一米的十亿分之一,相当于人类头发直径的万分之一。在过去的研究中,科学家发现,许多物质到达纳米尺度将产生原来不具备的新功能,因而纳米尺度是一个重要的“分水岭”。例如,金属材料的晶胞维持在几纳米时具有非凡的强度和韧性,而纳米尺度的蛋白质分子则开始具有生物学功能。 纳米材料的奇特性质,为各领域科学研究提供了巨大的发展空间。 对此,赵宇亮更愿意用“纳米+”来概括。“纳米科学、纳米技术,具有一种平台型科学技术的特点,纳米科学家最了解不同物质在纳米尺度下的特点。”他说,“纳米+不同学科,有望创造新知识及其新应用。” 2013年,中科院启动“变革性纳米产业制造技术聚焦”A类战略性先导科技专项(以下简称纳米专项)。纳米专项从启动之初就被寄予厚望。 2013年11月13日,中科院原副院长詹文龙在纳米专项启动会上特别强调,将纳米科技创新能力转化为社会生产力,要不断加强和落实与企业的合作。“产业需要纳米科学!”詹文龙的讲话,让参会的上百位科学家振奋不已。 资料显示,纳米专项按照“创新链到产业链”“领域核心技术”“制造共性与评价”等3个逻辑层次,划分为4个项目,分别是“长续航动力锂电池”“纳米绿色印刷与器件制造技术”“纳米结构在特定能源、环境与健康中的应用”“纳米制造共性技术与标准化体系”。 在纳米专项实施过程中,科学家相信,基于纳米科学的产业制造技术,一定会成为推动我国相关产业实现跨越式发展的重要力量。 结果没有让人失望。以锂电池为例,研究人员突破了高能量密度动力电池关键核心技术,开发了多种动力电池电芯,锂离子电池能量密度达到305Wh/kg,在长安、奇瑞、知豆、北汽等国产品牌电动汽车上得到应用。 同时,研究人员在绿色印刷制造产业链、大规模印制电路、千吨级绿色油墨、蓝光激光器和相变存储材料的规模制造、天然气高转化率制乙烯的工业放大等方面取得的进展,也极大促进了相关产业发展。 2018年11月13日,纳米专项以优异的成绩结题。特别是5年来,纳米专项引导社会资金投入及新增产值超过50亿元,取得了显著的经济社会效益。出席纳米专项结题会的中科院重大科技任务局局长于英杰在看完专项成果展后,用“令人震撼”评价上述成果。 科学家并没有躺在功劳簿上睡大觉。一种可能的新发展范式正在纳米科学家的心中形成。 一直从事纳米科学基础研究的研究员唐智勇在与同行交流中发现,有些产品的质量重现性欠缺。“这次做的产品和上次做的不一致,有时候性质特别好,有时候一般。”这引发了唐智勇的思考:“是不是我们走得太快了?在好多基础问题没有完全吃透之前就去做产业化?” 用更专业的话说,纳米科学能否突破纳米制备的极限,在尺寸、晶面、缺陷和表/界面结构等实现精准控制,已成为这一领域的最重大挑战。 回到基础研究中去,聚焦“0到1”的创新,无疑是直面这些问题的不二选择。 “纳米科学从服务于应用出发,科学家又发现了新的科学问题,重新回到基础科学中去。”国家纳米中心研究员魏志祥认为,“这是一种‘螺旋式上升’的认识。” 走向“卓越”是一种必然选择 2014年,中科院启动实施“率先行动”计划、推进研究所分类改革,给了纳米科学家启示。中科院院长白春礼在多个场合强调:“中科院研究所分类改革的重要目标之一就是打破单位间的藩篱,加强资源统筹。” 的确,除了国家纳米中心,中科院有很多研究所从事纳米科学与技术研究,也都取得了一些重要突破。但由于研究所各自为战,存在布局分散、交叉重复等碎片化和孤岛现象。那段时间,国家纳米中心如何落实“率先行动”计划,一直是纳米科学家思考的重点问题。 答案逐渐清晰,那便是“卓越创新中心”。 根据“率先行动”计划的顶层设计,卓越创新中心侧重基础与前沿,以明确的重大问题为目标,建设同领域的世界级科学研究中心。突破纳米科学上的重大问题、开辟新的研究方法等,正是纳米科学家对走向“卓越”的共同期待。 “建设纳米卓越中心,是落实‘率先行动’计划的重要举措。”赵宇亮说,“有利于充分凝聚中科院在纳米科学领域的优势,更有利于提升原始创新能力和水平。” “不改革就会被改革”“以时不我待的紧迫感推进改革”,白春礼的讲话时刻萦绕耳边,令纳米科学家不由得加快了谋篇布局的步伐。 2015年4月8日,在合肥中国科学技术大学(以下简称中国科大)理化大楼一楼科技展厅里,来自大连化学物理研究所、苏州纳米技术与纳米仿生研究所、合肥物质科学研究院(以下简称合肥物质院)、中国科大等中科院多家研究机构、高校的顶尖纳米科学家齐聚一堂,一场事关纳米科学未来的“头脑风暴”正在展开。 时任国家纳米中心主任刘鸣华介绍纳米卓越中心的3个领域布局后,热烈的讨论开始了。 其中,研究员裘晓辉负责“亚纳米尺度的表界面结构与动力学”。2013年11月1日,他带领的团队改装了“非接触式原子力显微镜”,并获得世界上首张氢键照片,发表在《科学》上。 对于未来,中国科大化学物理系教授罗毅等专家的建议是,目前对于纳米尺度的研究已经可以从空间、时间单一层面做到精准测量与表征,未来的挑战将是如何从空间、时间这两个方面进行同时测量;而对于精准制造的纳米材料表征,则需要精细测量。 这次会议上,学科带头人进一步梳理了纳米卓越中心的领域方向,整合了研究队伍,为纳米卓越中心科技目标的完成奠定了坚实基础。 2015年6月,纳米卓越中心建设实施方案论证会在北京召开。该中心依托“变革性纳米产业制造技术聚焦”A类先导专项建设,是会议形成的重要共识之一。一个月后,中科院院长办公会通过了这份方案。 9月,在与第六届中国国际纳米科学技术会议同期召开的“全球纳米科技主任论坛”上,来自全世界多家纳米中心的30多位主任和嘉宾集中探讨了纳米科学和技术中的关键共性问题。“这次大会的举办对纳米卓越中心科技目标的凝练和工作的完善产生了事半功倍的效果。”赵宇亮回忆道。 2015年11月,纳米卓越中心召开第一次学术研讨会。这意味着短短半年时间,纳米卓越中心的雏形已构建完成。
纳米专项结题总体验收会现场
上“书架”与上“货架” 2016年2月,纳米卓越中心启动了人才遴选工作。其遴选标准,一方面要看科研做得好不好,另一方面也要看其研究方向是否与纳米卓越中心相契合。 中国科大教授俞书宏便是按照这样的标准成了纳米卓越中心核心团队的一员。多年来,俞书宏带领研究团队在纳米结构单元的宏量制备与宏观尺度组装体的功能化研究领域取得了长足进展。2016年,团队因该领域的相关研究再次荣获国家自然科学奖二等奖。 在这里,俞书宏感到的是一种“默契”的科研氛围——在纳米卓越中心开展的基础研究,绝非以发表文章为终点,更希望能变革产业。 多位科学家一致认同:“纳米卓越中心的研究,既要上‘书架’,也要上‘货架’。” 有利于开展科研创新的“软环境”是对人才的最大激励。“体制机制创新也是纳米卓越中心快速发展的基础。”赵宇亮强调,“我们在建设过程中做了诸多尝试。” 例如,在人事管理方面,纳米卓越中心对成员实行双聘制,即同时拥有在该中心的岗位以及原单位的岗位,保留在原单位的各项待遇;该中心从中科院外聘用的工作人员,人事关系由依托单位管理,并签订三方工作协议。 在成果共享方面,知识产权同时归属于纳米卓越中心及成员人事关系所属单位。 “比起论文数量,纳米卓越中心更注重科研工作的质量。”赵宇亮介绍,成员署名纳米卓越中心的高水平研究成果属于基本要求。为了鼓励纳米卓越中心内部的高水平合作,重点奖励共同合作完成的高质量研究成果。 与之同时推行的“人员动态调整机制”则让科学家感受到一定压力。 目前,纳米卓越中心已形成一支包含12个卓越课题组、73位研究人员的队伍,几乎汇聚了国内顶尖纳米科学家。 “纳米卓越中心是一个很好的平台,科学家干劲十足。”俞书宏进一步评价,“有远大的科学目标,主攻‘从0到1’的重大科学问题,在纳米科技领域发挥了引领作用。” 协同合作擦出科学火花 的确,这些制度的实施让科学家能够心无旁骛地聚焦于科学研究。 截至2018年底,纳米卓越中心共发表科学论文1592篇,其中《科学》和《自然》共4篇。2018年7月,判别基础科学研究水平的自然指数(Nature Index)数据表明,纳米卓越中心已超越全球同类研究机构,在纳米科技领域排名升至世界第一位。 纳米卓越中心研究人员利用高分辨原子力显微镜“看到氢键”后,又实现了复杂分子体系超高分辨成像的突破;用“组装与矿化”相结合的仿生合成方法,实现人工贝壳材料的仿生设计与制备;首次揭示纳米发电机的理论源头,摩擦纳米发电机输出电压、电流大幅提高;首次报道碳纳米管对甲基苯丙胺所致精神依赖性的显著抑制作用…… 这些成果的取得,与纳米卓越中心鼓励协同合作是分不开的。 生物学专家聂广军、纳米安全性与纳米药物专家赵宇亮,与分子机器专家丁宝全的合作,成就了一段佳话。自2011年来,聂广军一直从事肿瘤微环境研究,希望找到一种用具有凝血功能的物质,通过阻断肿瘤血管“饿死肿瘤”的策略治疗肿瘤。 “当时,在临床和基础研究者看来,我们的想法几乎是不可能实现的。”聂广军表示。体内凝血一旦不能在肿瘤血管内精准进行,便极有可能在其他地方出现血栓,威胁生命。 对于聂广军研究中的瓶颈,赵宇亮看在眼里。在纳米卓越中心框架下,他“撮合”丁宝全和聂广军开展合作研究,期待来自不同背景的研究人员能够碰撞出火花。 丁宝全团队具有设计构建DNA分子机器的丰富经验,在6年多的研究中,研究人员针对肿瘤血管的生理特点,用DNA“折纸术”策略,设计出DNA纳米机器人。 “我们首先用人工合成的DNA制造出一张长宽分别为90纳米、60纳米的长方形折纸,装上凝血酶,用类似‘锁扣’结构卷成管状结构,制作成分子机器。”丁宝全解释道。当分子机器识别到肿瘤血管内皮细胞标志物“核仁素蛋白”时,“锁扣”打开,DNA从管状恢复到片层结构,凝血酶随即发挥作用。 随后,聂广军团队开展了小鼠和猪的动物实验,赵宇亮团队则在纳米机器人的生物安全性方面开展实验。“长期、系统围绕同一个科学问题开展深入研究,是纳米卓越中心应当做的事。”赵宇亮强调。 唐智勇和合肥物质院固体物理研究所研究员赵惠军有关催化剂制备的合作也在纳米卓越中心支持下进行。“我们把材料真正合成出来之后,用实验验证也行得通,但还不够。”唐智勇解释,“如果能用理论计算研究这种材料为什么行得通,就可以找到更普适的规律,指导将来的设计。” “纳米卓越中心践行了‘率先行动’计划,凸显了纳米科学面向卓越追求的改革成效。”赵宇亮这样总结。 越来越小、越来越精准,纳米科学让人类获得“上帝之手”般的“超能力”,在操控原子、分子间,见微知著。
“DNA 纳米机器人”入选2018年度中国科学十大进展。
纳米卓越中心研究人员正在进行实验。
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