七位院士圍繞碳中和、新冠肺炎疫情、芯片、高鐵等前沿科技問題發(fā)表真知灼見——
科技攻關(guān)，奔著最緊急、最緊迫的問題去
光明日報記者 崔興毅
編者按：
習近平總書記在5月28日召開的兩院院士大會和中國科協(xié)第十次全國代表大會上強調(diào)，“科技攻關(guān)要堅持問題導向，奔著最緊急、最緊迫的問題去”。5月30日，中國科學院七位院士從各自研究領(lǐng)域出發(fā)，聚焦國家創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略需求、前瞻學科領(lǐng)域發(fā)展方向，圍繞碳中和、疾病預防控制、集成電路等前沿熱點問題發(fā)表真知灼見。本版為您呈現(xiàn)院士們的精彩觀點，共同為這些“最緊急、最緊迫的問題”尋求答案。
近期，由中科院先導專項研制的深海高性能傳感探測設(shè)備2021年度首次海試任務(wù)圓滿完成。圖為載人潛水器“深海勇士”號準備布放入水。新華社發(fā)
中科院上海光機所內(nèi)，正在工作的“羲和”裝置。其輸出功率高達10拍瓦，即1億億瓦，脈沖壓縮后寬度達到飛秒量級。新華社發(fā)
■中科院院士、地質(zhì)學家、氣候變化專家 丁仲禮
碳中和將帶來經(jīng)濟社會大轉(zhuǎn)型
我國對國際社會承諾“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。碳中和是指二氧化碳的人為排放量被人為作用（木材蓄積量、土壤有機碳、工程封存等）和自然過程（海洋吸收、侵蝕-沉積過程的碳埋藏、堿性土壤固碳等）所吸收，實現(xiàn)凈零排放。
丁仲禮
丁仲禮表示，碳中和看似復雜，實際上概括起來就是一個“三端發(fā)力”的體系：第一端是能源供應(yīng)端，盡可能用非碳能源替代化石能源發(fā)電、制氫；第二端是能源消費端，力爭在絕大多數(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)非碳能源對化石能源消費的替代；第三端是人為固碳端，通過生態(tài)建設(shè)、土壤固碳、碳捕集封存等組合工程去除不得不排放的二氧化碳。
“碳中和將帶來經(jīng)濟社會大轉(zhuǎn)型,‘技術(shù)為王’將在此進程中得到充分體現(xiàn)，即誰在技術(shù)上走在前面，誰就將在未來國際競爭中取得優(yōu)勢�！倍≈俣Y認為，國家需要積極研究與謀劃，系統(tǒng)布局，力爭以技術(shù)上的先進性贏得產(chǎn)業(yè)上的主導權(quán)。
“三端發(fā)力”所需資金將是天文數(shù)字，無法依靠政府財政補貼完全滿足，必須堅持市場導向，鼓勵競爭，穩(wěn)步推進。政府的財政資金應(yīng)主要投入在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)示范上，力爭使我國技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的迭代進步快于他國。丁仲禮特別指出，在此過程中要防止能源價格明顯上漲，影響居民生活和產(chǎn)品出口。
評價國家、區(qū)域、行業(yè)、企業(yè)甚至家庭的碳中和程度，需從收支兩端計量。從能源消費角度看，“支”（即排放）相對容易計量；“收”（即固碳）很難精確計量。丁仲禮建議，國家應(yīng)盡早建立監(jiān)測、計算、報告、檢核的標準體系，以確保牢牢掌握我國碳收支狀況的話語權(quán)。
■中科院院士、光學專家 李儒新
高功率激光與高能粒子加速器融合前景廣闊
高功率激光和高能粒子加速器歸屬于不同的學科領(lǐng)域。近年來，兩個學科相互促進、交叉發(fā)展的趨勢日益明顯。
李儒新介紹，2019年中國和歐盟兩個實驗室獲得了超過10拍瓦的激光脈沖輸出。這種超高峰值功率超短脈沖激光被稱為最亮光源，可以提供前所未有的極端物理條件與全新實驗手段。
李儒新
“而高能粒子加速器最初是作為人們探索原子核結(jié)構(gòu)的重要手段發(fā)展起來的�！崩钊逍抡f，同步輻射裝置、自由電子激光裝置、閃裂中子源、對撞機等大科學裝置的核心都是高能粒子加速器。
高能質(zhì)子和重離子加速器的一個重要應(yīng)用是腫瘤的精準放療�！百|(zhì)子/重離子放療是當下最先進的腫瘤放射治療方法，目前主要用射頻加速器來加速高能質(zhì)子和碳離子，昂貴的造價和維護費用極大制約著質(zhì)子/重離子放療設(shè)備的推廣應(yīng)用。”李儒新表示，基于高功率激光的質(zhì)子和重離子加速器，有望降低腫瘤放療設(shè)備的造價和維護費用，“一個值得重視的方向是基于高瞬時輻射劑量的超短脈沖質(zhì)子束治療，即FLASH放療方案。因為激光加速有利于獲得更短脈沖的高峰值流強質(zhì)子束，從而達到超高的瞬時劑量率”。
“作為高性能的寬波段光源用戶裝置，基于電子儲存環(huán)的同步輻射光源在生命科學、材料科學、物理學、化學、能源科學等研究領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用�！崩钊逍轮赋�，目前世界多國正在大力發(fā)展第四代同步輻射裝置。與此同時,超越第四代光源平均亮度，獲得2~3個量級以上提升并實現(xiàn)時空全相干輻射的所謂第五代同步輻射新原理新方法已被提出。其中，我國科學家提出的采用衍射極限電子儲存環(huán)電子束與高功率激光脈沖相互作用的角色散和調(diào)制—反調(diào)等新機制被認為具備實現(xiàn)第五代同步輻射的潛力。
■中科院院士、物理化學家 包信和
氫能發(fā)展是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵
化石能源是溫室氣體的主要來源，實現(xiàn)碳中和意味著必須徹底顛覆工業(yè)革命建立起來的以化石能源為主導的能源體系，構(gòu)建以非化石能源為主體的世界能源新結(jié)構(gòu)。
包信和
在碳中和目標下，我國煤炭生產(chǎn)和使用的發(fā)展方向在哪里？“清潔煤化工的未來發(fā)展之路，勢必摒棄‘野蠻’的氧助氣化過程”，包信和建議，采用高效的催化劑和智慧的化學反應(yīng)過程，在綠氫的幫助下，對煤炭分子進行精準剪裁，獲得我們需要的化學產(chǎn)品，最終實現(xiàn)精準的“分子煉煤”。
“氫能在未來能源構(gòu)架中將與電力一起居于核心位置，氫能的發(fā)展是碳中和目標實現(xiàn)的關(guān)鍵�！卑藕徒榻B，根據(jù)制取氫能所輸入的能量來源不同，氫可以被分為不同種類�！拜斎氲哪芰吭从诳稍偕茉矗绻�、風等發(fā)電用于電解水，這樣獲得的氫稱為‘綠氫’。只有綠氫會成為未來清潔可持續(xù)能源的核心�！�
據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在世界上每年消耗的氫氣在5000萬噸左右，其中96%來自化石能源，僅4%來自電解水，而且所用的電也并非全部來自可再生能源。包信和強調(diào)，在碳中和背景下，科技創(chuàng)新和資本投入要重點關(guān)注水電解，尤其要大力發(fā)展可再生能源驅(qū)動的大規(guī)模水電解制氫。
氫作為能源使用，要解決的另一個問題是儲存和輸運。包信和介紹，現(xiàn)今較常用的方法是高壓瓶儲氫，這種傳統(tǒng)方法經(jīng)濟、適用、便于操作，也適合未來的加氫設(shè)施�！敖衲�5月，我國第一款70Mpa塑料內(nèi)膽復合氣瓶已經(jīng)通過驗收，未來批量生產(chǎn)后，將為我國氫燃料電池汽車的規(guī)模化生產(chǎn)提供很好的支撐�！�
“根據(jù)原理看，只要是用碳作為能源和還原劑的地方，最終都能用氫替代，從而降低二氧化碳排放�！卑藕徒ㄗh，大膽顛覆現(xiàn)有的生產(chǎn)模式和范式，創(chuàng)新技術(shù)，在鋼鐵冶金、水泥建材生產(chǎn)、煤的直接煉制和化工過程中不斷革新。
■中科院院士、病原微生物與免疫學家 高福
預防是最經(jīng)濟最有效的健康策略
人類同疾病較量最有力的武器就是科學技術(shù)，人類戰(zhàn)勝大災(zāi)大疫離不開科學發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新。提高治愈率、降低病亡率，最終戰(zhàn)勝新冠肺炎疫情，關(guān)鍵要靠科技。
高福
在武漢疫情得以控制后, 我國又出現(xiàn)了綏芬河、舒蘭、北京、青島等多次小范圍疫情�！拔覀兺ㄟ^基因組測序?qū)Σ《具M行溯源，發(fā)現(xiàn)多起疫情是由進口冷鏈產(chǎn)品通過國際海洋漁業(yè)貿(mào)易受到較高負荷的SARS-CoV-2污染”，高福說，“SARS-CoV-2可通過遠距離、近距離接觸傳播給冷鏈裝卸或加工工人�！�
“我們篩選出兩株單克隆抗體，CA1和CB6能夠阻斷 SARS-CoV-2-RBD與hACE2受體結(jié)合，有較強的中和活性。在非人靈長類動物模型中進行測試發(fā)現(xiàn)，CB6-LALA可以抑制SARS-CoV-2病毒滴度，并減少感染相關(guān)的肺損傷�！备吒娬{(diào)，這對病毒RBD蛋白表位的鑒定至關(guān)重要，將為開發(fā)疫苗提供有價值的信息，“分離出的具有中和作用的單克隆抗體CB6可能是一種潛在的治療藥物，目前中美均已進入臨床試驗。”
不同的新冠肺炎疫情防控策略都表明，疫苗可能是最終解決方案。高福介紹，目前，全球共有7條疫苗研發(fā)技術(shù)路線，共有272個候選疫苗，其中88個進入臨床試驗。我國目前有三款滅活疫苗、一款腺病毒載體疫苗或附條件上市，一款重組蛋白疫苗獲批應(yīng)急使用。幾款疫苗均表現(xiàn)出良好的免疫原性和安全性。
“這次抗擊新冠肺炎疫情的實踐再次證明，預防是最經(jīng)濟最有效的健康策略�！备吒＝ㄗh，把科學普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置，“在新冠肺炎疫情中，公眾對科普的需求非常強烈。通過淺顯的語言將科學原理表述清楚，真正回應(yīng)公眾需求，讓大家能夠及時接受準確的信息，是廣大科研人員需要共同努力的方向�！�
■中科院院士、生物海洋學家 焦念志
中國應(yīng)全面進行海洋負排放科學規(guī)劃
氣候變化關(guān)乎全人類命運，碳中和是應(yīng)對氣候變化的有效措施�！皩崿F(xiàn)碳中和，不僅要減少碳排放還要增加碳匯。自然碳匯無法滿足碳中和需求，必須主動增匯，即實現(xiàn)負排放�！苯鼓钪局赋觯Ｑ髢Υ媪说厍蛏�93%的二氧化碳，對調(diào)節(jié)氣候變化發(fā)揮著無可替代的作用。
焦念志
焦念志介紹，中國領(lǐng)海面積近300萬平方公里，縱跨多個氣候帶，擁有廣闊的邊緣海。地處熱帶、亞熱帶的南海受西太平洋暖池影響，大洋特征明顯；地處溫帶的東海擁有寬廣的大陸架，物質(zhì)運輸顯著；黃海是冷暖流交匯的區(qū)域；位于北溫帶的渤海是受人類活動高度影響的半封閉淺海。同時，上述海域還分別受到珠江、長江、黃河等大江大河的影響。多樣的自然海洋環(huán)境條件為我國實施各種類型的負排放提供了空間。
“我國基于微型生物碳泵MCP原創(chuàng)理論和國際上對海洋儲碳機制的認識，提出整合MCP、BCP、CCP的耦合儲碳機制(MBC)，通過學科交叉研究，將突破單一儲碳機制的局限性，實現(xiàn)海洋儲碳最大化�！苯鼓钪菊f。
迄今，國際上研究最多的海洋碳匯組分是紅樹林、海草、鹽沼等海岸帶藍碳，它們有著重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。焦念志介紹，廣闊的海洋水體中其他碳匯組分儲量巨大，如肉眼不可見的溶解有機碳占海洋總有機碳量的90%以上，在地球歷史上對氣候變化起到了重要的調(diào)節(jié)作用�！霸谔贾泻湍繕讼�，深入研究海洋儲碳的過程與機理，研發(fā)可行的負排放路徑與方法，建立海洋碳匯的標準體系，是擺在我們面前的當務(wù)之急�！�
“目前，我們發(fā)起的海洋負排放國際大科學計劃(ONCE)，得到了國際同行的積極響應(yīng)，已有來自15個國家的科學家簽約�！苯鼓钪咎岢�，應(yīng)全面進行海洋負排放科學規(guī)劃、及時布局相關(guān)研究與研發(fā)，盡快建立相關(guān)的方法與技術(shù)體系，通過 ONCE推出中國領(lǐng)銜制定的海洋碳匯/負排放有關(guān)標準體系，為構(gòu)建人類命運共同體提供中國方案。
■中科院院士、微電子器件專家 黃如
線寬縮小不再是集成電路發(fā)展的唯一技術(shù)路線
集成電路技術(shù)的核心內(nèi)容是提升單位成本硬件系統(tǒng)的信息處理、存儲與傳輸能力，并降低單位體積上的能耗。
“過去幾十年，集成電路技術(shù)在基礎(chǔ)理論的支撐下不斷突破技術(shù)瓶頸，拓展應(yīng)用邊界，推動集成電路產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，每隔18個月將單一芯片上集成的晶體管數(shù)目提升一倍，電路單元面積縮小一半�！秉S如表示，在上述迭代規(guī)律下，大規(guī)模集成電路的性能每隔一代提升約15%，功耗降低約40%，成本則降低35%左右。
黃如
黃如介紹，隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，特征尺寸、集成度、性能、功耗、成本等摩爾定律特征從22 納米節(jié)點不再統(tǒng)一提升或縮減，研發(fā)成本從22納米節(jié)點以后顯著上升，集成電路技術(shù)的發(fā)展進入后摩爾時代。
黃如表示，近十年來在器件結(jié)構(gòu)、材料工程、集成工藝、設(shè)計方法等方面涌現(xiàn)了諸多前沿創(chuàng)新，面向不同應(yīng)用需求實現(xiàn)不同的集成度、能效比、性能等的折中優(yōu)化，呈現(xiàn)出“百花齊放”態(tài)勢，支撐快速發(fā)展的多樣化信息應(yīng)用需求。
“從22納米FinFET技術(shù)（代工廠的16納米技術(shù)）開始，盡管與經(jīng)典的等比例縮小路線有所偏離，近十年來集成電路技術(shù)依然高速發(fā)展，在器件、材料、工藝等領(lǐng)域頻繁的技術(shù)迭代推動下，先進邏輯制造技術(shù)進入了5納米量產(chǎn)階段，2納米技術(shù)正在研發(fā)，1納米技術(shù)研發(fā)開始部署。”黃如介紹，先進的10納米級DRAM存儲器和128層V-NAND閃存技術(shù)也進入了市場。
“集成電路技術(shù)正進入重要的歷史轉(zhuǎn)折期，新原理、新結(jié)構(gòu)器件結(jié)合新材料、新工藝技術(shù)、新設(shè)計方法風起云涌，學科交叉更強調(diào)深度和廣度的推進�！秉S如指出，在先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展三維集成技術(shù)、系統(tǒng)級協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)不同功耗約束下的多樣化系統(tǒng)集成，后摩爾時代集成電路技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)典型的“N分天下”新態(tài)勢，“經(jīng)典摩爾定律與等效縮比等超摩爾新定律并存互促，為集成電路發(fā)展開辟了更多的道路”。
■中科院院士、軌道交通工程專家 翟婉明
未來高鐵向著更快更智能出發(fā)
短短十多年間，我國高鐵從無到有，形成了世界最大的高速鐵路網(wǎng)，總里程超過3.8萬公里，逐漸形成“公交化”密集運營。
翟婉明介紹了我國高鐵的發(fā)展歷程，并指出許多尚需突破的難題，如輪對、軸承、減振器等關(guān)鍵核心部件長期依賴進口，亟須實現(xiàn)我國高速列車核心部件自主化�！拔磥砀哞F的發(fā)展應(yīng)著重考慮速度、效益、節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟性等技術(shù)指標的綜合提升。”翟婉明說。
翟婉明
列車速度是衡量一個國家鐵路發(fā)展水平的重要指標之一。翟婉明介紹，目前我國大量高鐵線路未達速運營，“設(shè)計時速350公里的高鐵線路中，目前僅京滬、京張、京津城際、成渝等4條高鐵達速運行，其余20余條運營時速均為300公里”。他建議，應(yīng)盡快使我國高鐵按照設(shè)計標準達速運行，充分挖掘高鐵線路的運輸能力，提高效益。
“目前，歐洲、日本都在不斷研制更高速度的高速列車，為保持我國在速度領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢，我國已啟動時速400公里等級的CR450高速動車組研制以及成渝中線高鐵線路建設(shè)規(guī)劃。”翟婉明指出，國際上對高鐵的最佳運營速度尚無定論，中國高鐵應(yīng)當破題。
智能高鐵采用大數(shù)據(jù)、云計算、北斗定位、下一代移動通信、人工智能等先進技術(shù)，通過新一代信息技術(shù)與高速鐵路技術(shù)的集成融合，實現(xiàn)高鐵智能建造、智能裝備、智能運營技術(shù)水平全面提升�！暗嬲鎸崿F(xiàn)高鐵智能化，還需突破諸多關(guān)鍵技術(shù)，比如構(gòu)建高鐵列車智能調(diào)度指揮系統(tǒng)、建設(shè)智能高鐵車站、高鐵設(shè)備采用電子標簽管理等�！钡酝衩鹘榻B，我國近期開通運營的京張高鐵和京雄高鐵，已運用智能化列車控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動駕駛，標志著我國正朝著智能高鐵時代邁進。
