中国基础研究十年回眸－－展望篇

进入21世纪以来，许多国家都将发展基础研究作为科技发展战略的重要内容进行全面部署。国家之间的竞争逐渐前移到基础研究阶段，如何重新认识基础研究的地位和作用已成为各国政府科技政策的热点问题。主要创新型国家纷纷出台了新的科学政策，制定了相应的科学发展规划。特别是在全球金融危机的背景下，经济发展放缓，政府财政紧缩，如何通过加强基础研究寻求经济社会发展的新机遇，发展新的经济增长点，为国家振兴奠定新的基础，成为世界各国的优先选择。
    值此关键阶段，我国必须在科学基础研究方面有所作为，立足于解决当前面临重大瓶颈问题和引领未来发展的需求，力争在若干科学前沿热点上取得重大突破，才能为我国经济社会的可持续发展奠定坚实的基础。
    ——编者 
    “软硬兼施”的材料科学
    今年年初的国家科技奖励大会上，材料科学家师昌绪因其研发高性能战斗机发动机材料的贡献，获得了国家最高科学技术奖。几十年来，师昌绪研发的几个系列的耐热合金材料，用在中国制造的飞机发动机上，缩小了与世界一流水平的差距。
    人类社会的发展水平，是以材料为主要标志的。材料科学是多学科交叉的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。20世纪70年代，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。
    无论是比钢还强、比蜘蛛丝还细的纤维，还是能自动修补的智能塑料；无论是有弹性的陶瓷，还是绝对平滑的镜面，现代社会，材料科学能做到的奇迹越来越多，也越来越成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。
    近二十年来，材料科学技术的发展异常迅猛，材料科学与生命科学、信息科学、环境科学等共同构成了当代科学技术的前沿。据国际模具及塑料供应商协会负责人罗百辉介绍，当前材料科学技术研究开发主要包括微电子材料、新型光电子材料、生物医用材料、先进复合材料等十几个前沿领域，内涵极多。
    目前中国的材料科学研究水平位居世界前列，有些领域甚至居于世界领先水平。未来中国将继续提高在材料科学领域的研究地位。
    复合材料是结构材料发展的重点，主要包括树脂基高强度纤维复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料，也具有广阔的发展前景。
    功能材料将与器件相结合，趋于小型化与多功能化。材料与器件的制备控制在原子尺度上，将成为发展的重点。
    低维材料具有体材料不具备的性质。例如零维的纳米级金属颗粒是电绝缘体及吸光的黑体，以纳米微粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度为块体铝的8倍；作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都显示出广阔的前景。
    半导体、激光、红外、光电子、液晶、敏感及磁性材料等信息产业的基础材料将更加多样化。高温超导材料也预计在20世纪末达到产业化。
    生物材料将得到更多应用和发展。一是生物医学材料，可用以代替或修复人的各种器官、血液及组织等；另一是生物模拟材料，即模拟生物的机能，如反渗透膜等。
    比如说，由于材料科学的发展，现在已经有了人造皮肤和人造骨骼，用于移植，完全能替代人体自生的材料。人造器官也已经出现在科学家的视野中。自从有了各种先进材料制成的膜，淡化海水、净化污水等任务已经不再艰难。
    “以小搏大”的纳米科学
    钻进人体器官，检查和治疗病灶的机器人；过滤掉水中细菌的超细膜网；存储量增大了二十倍，耗电却减少两百倍的内存……这些都是纳米科技领域已经实现的成就。未来纳米科学研究，还会带给人们更多惊喜。
    1990年，IBM公司的科学家成功地对单个的原子进行了重排，他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这成为纳米技术的开始。中国科学家迅速跟上这一趋势，并踏入该领域的世界第一集团。
    1纳米是1米的10亿分之一。纳米科技可以分为三个方面：一个是纳米材料，一个是纳米器件，另一个方面就是纳米尺度的检测和表征。应该说，纳米科技的发展蓝图中，对人类影响最大的就是纳米器件。
    所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。有人曾预计，微米级的信息技术到2010年时会走到尽头，就是说进一步的发展会受到物理的局限。根据美国半导体协会的预计，整个器件的尺度可以小到100纳米，而电子器件小到100纳米时，量子效应就会起到很重要的作用，这时就需要用全新的理论和方法来构建新的纳米器件。
    由微电子器件对人类产生的重大影响不难想象纳米器件会对人类产生怎样的影响：计算速度更快、存储密度更高、能耗大大减少等。
    三星公司已经投入生产的20纳米级闪存，容量达512GB，存取速度比之前的闪存更快；而台湾最近研制的9纳米级内存，在一平方厘米大小内能存储一个图书馆的信息量。
    中国研制成功的纳米胶囊机器人，在一个胶囊大小的空间内容纳了传感器、摄像头和微型芯片、无线传输装置，在人体内最多可拍摄5万张图片传给医生。
    还有，中国国家纳米科学中心海外部主任王中林等最近发明了半根小指头大小，薄如一张纸的纳米发电机。只要按压它，就能产生电能，大小足以点亮一台小型液晶屏幕。三五年内，纳米发电机就可以真正应用在保健设备、个人电子产品以及环境监测设备上。
    纳米材料的应用同样神奇。利用比头发丝还细的碳纳米管薄片制造出的扬声器能够发出声音，同时也可以消除噪声，这种属性对于潜艇来讲无疑是最为理想的，利用这种特性，潜艇声呐能够探测海洋的深度，同时也能够令己方潜艇对敌方隐身。
    南非科学家制造出的纳米“茶叶袋”，其内装的“茶叶”是内部涂敷薄薄一层生物杀菌剂的微细的纳米管，可以杀死所有致病微生物。哪怕是污染最严重的水，经过滤袋过滤后，都可以变成安全饮用水。用被病原体高度污染的河水做实验，过滤出来的水是完全干净的。这种高科技、低成本、易处理的水过滤袋将很快实现商品化。
    另外，纳米技术的发展也会对生命技术产生重大的影响，对环境、能源等很多方面都会产生重大影响。所以科学界预计纳米技术是未来可能会取得重要突破的三个领域之一。
    创造生命的合成生物学
    人类已经发现了利用各种各样生物的办法，人类也能够做到让生物向着有利人的方向变异，但能不能把生命在实验室或工厂里制造出来呢？
    2010年夏天，美国科学家文特尔的创造震惊了世界。他合成了名为“辛西亚”的细菌细胞，这个细胞的一切构件都是人制造的。辛西亚就是“合成物”的意思。
    文特尔的成功，再次引发了世界对合成生物学的兴趣。合成生物学是伴随着人类基因组计划的成功实施、在21世纪初兴起的生物学研究领域和工业生物技术领域最有活力的前沿技术之一。
    从最基本的要素开始一步步建立零部件，重塑生命，正是合成生物学这一新兴科学的核心思想。该学科致力于从零开始建立微生物基因组，从而分解、改变并扩展自然界在35亿年前建立的基因密码。
    科学家们尝试着利用基因的序列信息和人工合成DNA，去改装细胞的新陈代谢路径，从而使得细胞具有全新的功能，例如生产化学物质和药品。他们的最终目标是尝试从无到有地构建基因——以及新的生命形式。
    打个常用的比方，生命是一台电脑，基因组就是操作系统。合成生物学希望通过重新编写操作系统和软件，对电脑的功能进行全新改造。但对旧的操作系统原理了解不明的情况下，改动往往会造成死机，因此需要反复试错研究。
    文特尔的尝试很简单，他把人造染色体作为一个“启动装置”植入另一个细胞的细胞壁中，因此而产生了一种可以自行复制DNA的新的生命形式。而合成生物学未来的实践会越来越复杂。
    有的科学家正努力合成出一种细菌，它能估计刺激物的距离并做出反应。这种细菌可用来探测地雷位置：当它们靠近地雷时细菌发绿光；远离地雷时则发红光。另一个研究方向是为成年干细胞编程，以促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞去修补受损的心脏或生产出人工膝关节。这些研究的前途不可限量。
    合成生物学希望未来在阐明、学习并模拟生物合成的基本规律之上，通过始于基因的人工设计并构建新的、具有特定生理功能的人工生物系统，为新型药物、功能材料或能源替代品等建立起全新的生物制造途径，以解决人类面临的资源、能源、健康及环境危机问题。
    比如说，一些专家提出应该制造一个配备有生物芯片的细胞机器人，让它在我们的动脉中游荡，检测并消除导致血栓的动脉粥样硬化。还有一些研究人员认为，运用合成生物学还可以制成各种各样的细菌，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等。还有人提出，可制造生物机器用来探测化学和生物武器，发出爆炸物警告，甚至可以从太阳光中获取能量，用来制造清洁燃料。
    尽管合成生物学的商业应用多数还要几年以后才能实现，但现在研究人员已经在利用合成生物体来研制下一代清洁的可再生生物燃料以及某些稀缺的药物。
    攻克顽疾的干细胞研究
    在许多无药可医的绝症患者和苦苦等待器官移植的病人看来，干细胞疗法是他们期盼已久的救星。在科学界看来，干细胞研究是目前最火热和发现最频繁的领域。中国学者近年在小鼠皮肤干细胞培养领域的成就得到了高度肯定。
    干细胞(Stem Cell)是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。干细胞技术，又称为再生医疗技术，是指通过对干细胞进行分离、体外培养、定向诱导、甚至基因修饰等过程，在体外繁育出全新的、正常的甚至更年轻的细胞、组织或器官，并最终通过细胞组织或器官的移植实现对临床疾病的治疗。
    干细胞及其衍生组织器官的广泛临床应用，将产生一种全新的医疗技术，也就是再造人体正常的甚至年轻的组织器官，从而使人能够用上自己或他人的干细胞或由干细胞所衍生出的新的组织器官，来替换自身病变的或衰老的组织器官。假如某位老年人能够使用上自己或他人婴幼儿时期或者青年时期保存起来的干细胞及其衍生组织器官，那么，这位老年人的寿命就可以得到明显的延长。
    干细胞分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。
    成体干细胞也起着关键的作用，让成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明，以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞,说明成体干细胞普遍存在，问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。
    干细胞技术是生物技术领域最具有发展前景和后劲的前沿技术，已成为世界高新技术的新亮点，势将导致一场医学和生物学革命。干细胞技术最显著的作用就是：能再造一种全新的、正常的甚至更年轻的细胞、组织或器官。由此人们可以用自身或他人的干细胞和干细胞衍生组织、器官替代病变或衰老的组织、器官，并可以广泛用于治疗传统医学方法难以医治的多种顽症。
    现在，利用造血干细胞移植技术已经逐渐成为治疗白血病、各种恶性肿瘤放化疗后引起的造血系统和免疫系统功能障碍等疾病的一种重要手段。科学家预言，用神经干细胞替代已被破坏的神经细胞，有望使因脊髓损伤而瘫痪的病人重新站立起来；不久的将来，失明、帕金森氏综合症、艾滋病、老年性痴呆、心肌梗塞和糖尿病等绝大多数疾病的患者，都可望借助干细胞移植手术获得康复。
    上天入海的发现之旅
    “神舟”和“嫦娥”上天，让中国公众对空间科学的关注达到了高点。空间科学以航天技术为基础，包括空间飞行、空间探测和空间开发等几个方面。它不仅能揭示宇宙奥秘，而且也给人类带来巨大利益。
    空间科学的研究内容之一是研究日地空间天气的链锁变化规律，研究日地链锁变化对人类活动和生态环境的影响。灾害性空间环境对航天、卫星、国防、通讯、导航定位、长距离管网等系统会造成破坏性影响，这些都和我们的生活密切相关。
    空间科学在实际应用方面已取得了很大进展，如在通信、导航、测地、气象观测、遥感等方面。在空间环境中，对于研制和生产高质量的单晶、多晶、合金和非晶态材料，以及高精度的电子、光学元件和特殊药品等，将产生巨大的经济效益。现代空间科学技术，已发展到有可能在地球同步轨道的高度建立太阳能卫星发电站，以获得取之不尽、用之不竭的洁净能源。空间的开发和利用已向人类展示了美好的前景。
    利用空间飞行来寻找宇宙中的生命，也是十分令人感兴趣的重大科学问题。经过对行星的探测，特别是对火星的探测，尚未发现生命的迹象。但已在空间发现了30多种有机分子，其中有几种属于地球生命的基本物质。科学家们渴望能在星际空间找到更高级的有机分子形式。中国科学家也希望向包括火星在内的更远空间进军。
    海洋科学研究也同样引人入胜。正在世界三大洋上游弋的“大洋一号”，向中国传回了种种海底的奇特影像，海底地形、矿藏和生物，都让人类感到陌生。我们对占地球2/3面积的海洋的了解，许多方面还比不上对月亮的了解。
    海洋科学是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及与开发利用海洋有关的知识体系。它的研究对象是占地球表面71％的海洋，包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、生活于海洋中的生物、海底沉积和海底岩石圈，以及海面上的大气边界层和河口海岸带。
    在海洋科学研究中，海洋观测仪器和技术设备起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。海水的大密度和流动性，给人们的直接观测带来极大困难。在万米深处，海水可以把潜水钢球的直径压缩几个厘米，人类很难在这样大的深处活动。海水对电磁波的吸收也相当显著,在水深200米以下，可见光波被吸收殆尽。因此，靠简单的手段去观测海洋深层的生物活动、海底沉积和海底地壳的组成及变化是非常困难的。即使在海洋上层，海水处于不断的流动和波动状态，依靠一个点上的观测资料，也很难说明面上的情况。增加调查船只的数量固然可以扩大观测范围以取得大量必须的资料，但耗资巨大。因此，只有大力发展海洋观测仪器和技术设备才能取得所需要的大量海洋资料，以推动海洋科学的发展。20世纪60年代以来,海洋科学的发展表明,几乎所有主要的重大进展都和新的观察实验仪器、装备的建造，新的技术的发明和应用，观察实验的精度以及数据处理能力的提高有紧密关系。
    目前，中国对大洋一号等海洋科学考察设备的投入加大，蛟龙号等深海科考装备也体现了中国研发制造的高水平。未来中国对海洋的好奇和期冀将会与日俱增。
    海洋是如此富饶，它可以提供食物、能源、矿物、水源、化工原料乃至广袤的空间，当今社会所面临的许多问题，几乎都可能从海洋中找到出路。随着世界人口膨胀、资源枯竭、环境破坏等问题的日益严峻，沿海各国纷纷把经济发展的目光投向海洋。

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    无所不见的太赫兹光
    太赫兹光波是一种新的、很奇特的电磁波。
    如果能够把X光换成太赫兹光，不仅对人体无害，你带了什么东西都能看得一清二楚。不管你把东西藏在什么地方，都能在瞬间显形。这方面的技术应用显然是非常重要的。2003年美国哥伦比亚号航天飞机失事后，科学家们受命参与事故分析。他们从美国航天局提供的一块材料着手，利用太赫兹技术做这个检测。材料里有90多个缺陷是对安全有害的，他们检测出了大部分缺陷，漏检率只有百分之几，这是目前其他方法做不到的。
    X光和超声波能发现物体的轮廓和状态，但却无法探测物体的化学性质，无法分辨究竟是爆炸物还是药品。然而太赫兹光却有这种本领，对目前人类发明的上百种爆炸物和地雷，太赫兹光已能识别出其中的50多种。最新的进展，是在30米左右，太赫兹光就能准确地发现爆炸物品。这对国际上的反恐斗争具有特别重要的意义。据专家估计，在未来3年至5年内，太赫兹技术应用最广泛的领域首属安检和反恐。
    探究宇宙的暗物质研究
    去年年底，中国首个极深实验室在雅砻江锦屏水电站2500米厚的岩石下投入使用。清华大学和上海交大的科学家，在这个不会被宇宙射线干扰的地洞里寻找暗物质。
    暗物质是既看不见又不发出辐射的物质，占宇宙的90%。尽管它们不可见，但通过它们对星系和银河星团的引力作用结果，可以推断它们确实存在。2007年，科学家甚至通过引力透镜得到了一张宇宙暗物质分布图。但我们对暗物质是什么，还一无所知。
    在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。暗物质存在的最早证据，来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4％，暗物质占了宇宙的23%。还有73%，是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在，可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子。
    对暗物质和暗能量的研究，是现代宇宙学和粒子物理的重要课题，也可能是最为基础的科学研究。虽然和应用相去甚远，但它仍然能引起人类的兴趣，因为它是我们认识宇宙基本结构的关键。