微觀世界的指路燈|上海光源:國之重器之一

背景介紹:

上海光源是我國首個國家和地方共同投資建設的大科學裝置,由中國科學院與上海市合作共建。通過上海光源發出的同步輻射光,可以看清原子、分子和微納米尺度的微小個體,從禽流感病毒到外爾費米子,科學家們得以瞭解、追蹤物質內部結構,在中國本土就地開展生命科學、物理、化學、材料、能源、環境、地質、生物醫藥、微電子等諸多學科和產業的攻堅與前沿實驗研究。

2018年中美貿易戰爭刷爆了朋友圈和各大媒體,成為當之無愧的年度關鍵詞;而在貿易戰背後,卻是科技實力的角逐。現今科技發展早已告別筆紙推演的時代,誰擁有更先進的大科學裝置,誰就更能在大國科技競爭中勝出。

改革開放四十年來,隨著我國綜合國力的不斷增強,目前全國在建和運行中的大科學裝置近40個,已逐漸成為國家創新體系的重要支撐,上海光源便是這些國之重器之一


微觀世界的指路燈|上海光源:國之重器之一


上海光源項目的萌芽要追溯到上世紀90年代。隨著世界科技的進步,到上世紀90年代中期,位於北京的第一代同步輻射光源以及位於合肥的第二代同步輻射光源都已無法滿足更多科學領域的研究需求。

1993年,丁大釗、方守賢、冼鼎昌三位院士首次建議,在我國建設一臺第三代同步輻射光源。

1994年3月,中國科學院上海應用物理研究所(時名上海原子核研究所)向中國科學院和上海市人民政府提出了《關於在上海地區建設第三代同步輻射光源的建議報告》。

1995年3月,上海市和中國科學院共同向國家建議,在上海建設第三代同步輻射裝置,並著手開展可行性研究。

1997年6月,國家科技領導小組批准開展上海同步輻射裝置預製研究,國家計委於1998年3月正式立項,預製研究工作於1999年1月開始,並於2001年3月完成。1999年7月,上海同步輻射裝置領導小組在滬召開第二次會議,最終確定裝置落址張江高科技園區。

歷經10年優化設計和預製研究,由中國科學院與上海市合作共建,中國科學院上海應用物理研究所承建的上海光源工程於2004年12月底開工建設,一期工程包括1臺150MeV直線加速器、1臺全能量增強器、1臺3.5GeV儲存環以及首批7條光束線站。在52個月內完成了設備研製、工程建設和調試調束,2009年4月優質竣工,5月向全國用戶開放。

2010年1月,上海光源通過國家發改委驗收。國家驗收委員會認為:上海光源以世界同類裝置最少的投資和最快的建設速度,實現了優異的性能,成為國際上性能指標領先的第三代同步輻射光源之一,是我國大科學裝置建設的一個成功範例,也是中科院與上海市院市合作的成功典範。

目前上海光源已有15條光束線站投入日常運行,上海光源線站工程正在建造的16條先進光束線站將於2021年全部建成,屆時上海光源將可每年接待上萬人次用戶實驗,成為具有重要國際影響的同步輻射實驗室。


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上海光源大科學裝置的成功建設和運行為科研工作者提供了一盞通向微觀世界的指路明燈,也為中國科學院大學研究生教育教學提供了重要的科研實踐平臺。

當今世界,同步輻射光源早已是科研創新不可或缺的重要工具,在上海光源的裝置內,電子束以接近光的速度在儲存環的真空室中運行,高速運行中的電子在轉彎時,會發出超出普通X光上億倍的同步輻射光,能夠照亮普通技術無法洞察到的微觀世界。

在上海光源建成前,我國科學家不得不向國外光源申請機時,不僅差旅費用高、申請週期長,更難以得到足夠的機時。上海光源的開放讓中國的科學家和工程師們在家門口就能實現蛋白質晶體結構的快速測定、新型催化劑原位實驗和材料特性高效表徵等。


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上海光源的建設是我國實現基礎研究突破和高科技創新的重要平臺和工具。它將為我國的生命科學、材料科學、能源科學、環境科學、信息科學、凝聚態物理、原子分子物理、團簇物理、化學、醫學、藥學、地質學等多學科的前沿基礎研究,以及製藥、石油化工、、生物工程、醫療診斷、微電子和微加工等高技術的開發應用,提供不可替代的先進實驗平臺。

上海光源至2018年12月共接待用戶23254人,用戶利用上海光源研究成果發表SCI一區論文1500餘篇,其中Nature、Science、Cell論文90篇,運行指標和成果產出居國際同類裝置的先進水平。上海光源還全力支持國家重大項目關鍵科技問題的解決,支撐國家863、973、自然科學基金重大和重大儀器研製以及軍工和航天等項目的科學研究,取得了重要進展。

藉助上海光源的高亮度X光,中國科學院大學博士生導師、中科院大連化學物理研究所包信和院士團隊探索出天然氣直接轉化利用的有效方法

,被德國巴斯夫集團副總裁穆勒評價為一項“即將改變世界”的新技術,入選2014年“中國十大科技進展新聞”與2014年“中國科學十大進展”。

清華大學醫學院顏寧教授研究組,在世界上第一個解析出人源葡萄糖轉運蛋白GLUT1的三維結構,該成果被美國科學院院士、膜轉運蛋白研究專家羅納德讚譽為“50年以來的一項重大成就”。

中國科學院大學博士生導師、中科院物理研究所丁洪研究員成功發現了隱藏了80餘年的“幽靈粒子”——外爾費米子,榮登歐洲2015年《物理世界》“十大突破”,併入選《物理評論》125週年紀念論文集。

北京大學化學與分子工程學院馬丁教授研究組實現了氫氣的低溫製備和存儲,成果入選2017年“中國科學十大進展”,被國際權威專家評價為氫能儲存和輸運體系的一個重大突破。

中國科學院大學存濟醫學院院長、中國疾控中心和中科院微生物所高福院士團隊在流行病毒結構與機理研究方面做出了一系列重要工作

,從率先解析H1N1和H7N9流感病毒蛋白結構到揭示埃博拉病毒入侵人體新機制,為流行疾病防控提供了重要的指導信息……

上海光源每年接待數千名來自全國或全世界不同學科、不同領域的科學家和工程師在這裡進行基礎研究和技術開發,促進了國際國內科研工作的交流和創新。


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此外,上海光源對於中國現有工業發展,趕超國際先進水平,取得具有自主知識產權的技術開發成果,將起到重要作用

例如,中國在加入WTO之後,催化劑的研發成為競爭焦點之一,上海光源將是新型催化劑研發中不可或缺的工具。分子篩是一種用途十分廣泛的催化材料,中國石化上海石油化工研究院利用上海光源解析出全新結構分子篩材料SCM-14(SINOPEC Composite Material 14)精確結構,並正式獲得國際分子篩協會(IZA)授予的結構代碼,使中國石化成為我國首個獲得分子篩結構代碼的企業,實現了國內工業企業在新結構分子篩合成領域零的突破,這對於推動石油化工關鍵核心技術自主創新突破具有重大意義。

放眼世界,各大石油公司均已在同步輻射光源上建有專用的光束線站,假如沒有高性能的第三代同步輻射光源先進技術的支持,中國的相關企業將面臨十分被動的局面。

在材料研究方面,上海光源助力超級鋼、超強石墨烯纖維的成功研製,助力高性能合金材料與高性能纖維材料製造工藝改進,產生了顯著效果,已應用於京滬高鐵接觸線製備和航空航天器材料製備。

在醫療診斷和新藥研究方面,上海光源也顯示出其獨特的優勢,三十多家醫院利用上海光源開展了腫瘤與心血管等疾病臨床診斷相關研究,高分辨成像技術可發現微小腫瘤組織從而實現腫瘤早期診斷。而多家制藥公司利用上海光源開展基於結構的新藥物篩選研究,已有多種新藥進入了臨床試驗階段。

自建成以來,上海光源高效運行、開放成效顯著,充分發揮了支撐科技發展的平臺作用,大幅提升了我國在蛋白質結構、凝聚態物理、新材料和催化劑等方面的實驗研究能力,促進了相關學科的快速發展。目前,上海光源重大科學工程已獲得上海光源榮獲“2013年國家科學技術進步一等獎”、“2012年上海市科技進步特等獎”、“2011年中國科學院傑出科技成就獎”,入選中科院“十二五”二十五項重大科技成果及標誌性進展。


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