中科院关于物质科学研究的某些重要方向及未来设想

　　物质科学的前沿突破推动了变革性技术的产生。中国科学院在若干基础研究前沿方面进行了布局,并对创新型科技拔尖人才给予了特殊支持。在这方面的重点领域,主要可分为量子尺度、纳米尺度、宏观尺度、未知尺度。量子尺度的基本科学问题是量子纠缠态的非定域性,重要的代表性成果是量子通信,引发了通信领域的变革;纳米尺度的基本科学问题之一是基于微/纳结构的亲/疏水可控转换,变革性成果是纳米绿色打印制版,引发了印刷技术的重要创新;宏观尺度的基本科学问题之一是新能源研究,可能的重要变革性成果是为未来能源问题提供解决之道;未知尺度的重要基本科学问题是暗物质、暗能量的研究,变革性成果将会是物质世界的全新认识。

　　1.量子通信是通信领域的重大变革。

　　经典保密方式理论上已被证明是可以破解的,而基于量子力学原理的保密方式则在理论上是不可破解的。中国科技大学是国际上该领域最活跃的研究单位之一,其成果2次荣获美国物理学会评选的国际物理学十大进展,3次荣获欧洲物理学会评选的国际物理学年度重大进展,5次荣获我国两院院士评选的中国十大科技进展。英国《新科学家》杂志形象地说:“过去合肥最著名的是豆腐和麻饼;现在他们正在改变这一切,他们已将中国科技大学,甚至整个中国,坚定不移地推进到量子计算界的图谱中。”在60周年国庆之际,在天安门城楼、中南海、国庆阅兵指挥部等地点之间,通过该突破,构建了绝对安全的实时语音加密量子通信热线。

　　2.纳米绿色制版技术有可能让印刷业“弃暗投明”。

　　活字印刷是印刷行业的第一次飞跃。2008年北京奥运会开幕式,完整的巨幅画卷魔幻般地展示了我国古代著名的立体活字印刷。汉字激光照排是我国印刷技术的跨越发展。二十世纪我国重大工程技术成就中,“汉字信息处理与印刷革命”仅次于“两弹一星”名列第二。我国目前主流的激光照排技术是两步感光过程;国际上目前主流的CTP制版技术是一步感光过程。上述两种技术存在的问题是:感光成像必须避光操作,化学显影导致废液排放,预先涂层造成资源浪费。随着科学发展观、可持续发展理念的深入人心,绿色环保成为印刷业的发展趋势。中科院化学所目前发明的纳米绿色制版技术是非感光过程,不仅大大提高了耐印力,而且有效地提高了印刷精度。纳米结构实现板材超亲水和浸润性调控,实现转印区域从超亲水到超亲油的转变,避免浸润性差别不够导致的印刷糊版现象;纳米粒子有效增强转印材料的耐摩擦(耐印)性,同时避免微米颗粒复合引起的打印头堵塞及分辨率低等问题。该技术的优势在于不避光、无污染、成本低、可回收,具有巨大的社会环境效益,并有可能在国际该领域引领发展。

　　3.新原理有可能加快解决未来能源的步伐。

　　2020年全世界能源需求约为23兆兆瓦,现在用量约为13兆兆瓦,需增约为10兆兆瓦。可开发的水电约为0.5兆兆瓦,海洋能约为2兆兆瓦,风能约为2兆兆—4兆兆瓦。地球接受的太阳辐射约为120000兆兆瓦,若按陆地面积(占地球面积29.2%)的1%,转换效率10%计算,可提供35兆兆瓦的能源。目前太阳能电池现状是单波长的转换效率可达80%以上,但太阳光谱是连续谱,宽带隙的电池不能利用长波部分,窄带隙的电池不能充分利用短波部分,现有思路性价比不高,另辟途径才有可能获得突破。以新结构、新原理和新材料为契机,强化多学科综合交叉集成,瞄准个性化应用,降低成本,提高效率,是未来发展的趋势。根本解决能源问题的渠道之一是新型核裂变电能,其发展必须面对两大关键问题——核燃料的稳定供应和核废料的安全处置。针对上述问题,中科院拟分别加强钍资源的核能利用基础研究和加速器驱动次临界系统(ADS)嬗变核废料的研究。核能分为核裂变能与核聚变能,若核聚变原理应用于发电,则具备极大的优势,主要表现在辐射极小且核聚变燃料取之不竭。国际热核聚变实验反应堆(ITER),也被人们形象地称为“人造太阳”,为欧盟、美国、中国、日本、韩国、印度和俄罗斯七方共同参与。我院建造的实验型先进超导托卡马克(EAST),是世界上首个建成并运行的全超导、非圆截面、磁约束核聚变实验装置,其成果表明EAST实验正朝着探索长脉冲、高参数等离子体物理这一未来聚变堆发展的重要研究方向迈进。

　　4.暗物质和暗能量也许是21世纪最大的科学之谜。

　　暗物质存在于人类已知的物质之外,目前我们知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和已知物质完全不同。暗物质和暗能量的研究有可能革命性地改变我们现有的世界观。根据现有观测数据计算,宇宙总能量中的73%是暗能量。中科院紫金山天文台通过与美国合作,发现宇宙线电子谱有一个“超出”,被认为可能来自暗物质,受到广泛关注。我院国家天文台刚建成的大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST),是世界上最大的光谱望远镜,将揭示不同宇宙红移处的星系分布,从而可为追溯宇宙的膨胀历史、探测暗能量的性质提供一定的技术基础。这方面的研究完全是基础性、长远性、探索性的,但一旦有突破性的发现,其影响也是深远的。

　　总之,对物质科学的深入认识,将拓展对已有重要科技概念的理解,将加深对客观物质世界的认识,进而为改造世界、落实科学发展观提供知识基础;对物质科学的深入认识有可能开辟新的研究领域,给科学和技术带来革命性的变革,进而带动行业和产业的发展。我国有一支能力较强的从事物质科学研究的队伍,我们应有意识地提出有可能在前沿领域取得突破的若干方向,并且带动变革性技术的产生;同时,以大装置的集群部署和学科交叉为牵引,可以为变革性科学技术的产生提供强有力的平台,也是国家科技实力的重要体现。

　　（作者为中国科学院院士、中国科学院常务副院长）