編者按

7月10日，在中國科學院學部第十屆學術年會全體院士學術報告會上，幾位院士圍繞各自領域的前沿探索發表真知灼見。他們研究的對象各不相同——從水分子中的氫原子到單原子催化劑，從蝗虫釋放的化學信號到用化石証據回答“我們從哪兒來”，從硅基發光的V缺陷到高溫超導的電子配對……但在“追問極限”這個意義上，他們的報告形成了一種奇妙共鳴。

原子利用率能不能推到100%？超導轉變溫度能不能逼近室溫？原子核能不能當成波來處理？生命演化的鏈條能不能再往前推幾千萬年？他們在嘗試回答。而這些問題背后的邏輯高度一致，那就是——在極限處尋找國家競爭力的源頭。

王恩哥：把原子核當成波來處理打開未知物態的大門

“過去一百年，我們在研究凝聚態物質時，習慣把電子做量子處理，注重它的波動性，而把原子核做經典處理，當成粒子。簡單地講，這種方法叫玻恩-奧本海默近似。”中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員王恩哥的報告從這句“翻案”式的判斷開始，“但當你不斷逼近真實的微觀世界問題時，這個近似就不夠用了。”

王恩哥要追問的是：原子核的量子效應到底能不能忽略？尤其是在質量最輕的氫原子核身上。

為了看清這個問題，王恩哥團隊建立了超越玻恩-奧本海默近似的理論研究框架，對電子和原子核自由度進行全量子描述，並原創高階靜電力成像原理，自主研發超高分辨掃描探針技術。“分辨率和靈敏度都推到了極限。”他在報告中展示一張張原子級分辨率的圖像，“我們看見氫原子，實現了人類識別最小原子的夢想。”

關鍵發現是什麼？王恩哥給出一組數據：單根氫鍵中，核量子屬性的貢獻達14%，超過常溫熱效應的影響。更深刻的是他們揭示出的規律——全量子效應“強化強氫鍵，弱化弱氫鍵”。王恩哥解釋：“過去實驗看到水中存在大量長短不一的氫鍵，如果採用玻恩-奧本海默近似理論卻隻算出一個平均值，怎麼都對不上。考慮原子核的量子屬性，全量子模擬給出長短氫鍵的統計分布與實驗一致，水的結構就這麼確定了。”

比“看見”更重要的，是“調控”。2004年，王恩哥團隊預言了一種二維冰，2020年，他們終於在實驗室制備出打破“冰規則”的二維冰，2022年，他們進一步在二維冰中通過高密度氫摻雜誘導核量子效應，在常壓下把絕緣的二維冰變成金屬冰。“這証明考慮原子波動性的全量子效應可以作為一個全新的調控參量。”他說，“我們可以在常壓下做高壓下才能做的事。”

他向現場聽眾展望這一發現的深遠意義：“全量子效應不僅是一個物理問題——在化學反應中，它可以設計新的反應路徑﹔在生命體中，它可以誘發DNA自發突變。未來研究化學、生命、能源、環境問題，隻研究電子的波動性是不夠的，還要研究原子的波動性。”

“微觀世界不是宏觀世界的縮小版，反過來也一樣。”王恩哥進一步闡釋，“這兩個世界如何聯系、如何過渡，是物理學最基本的問題之一。而在全量子效應的研究中，我們正在思考如何得到這個問題的答案。”

張濤：單原子催化讓每一個金屬原子都成為“戰士”

“一些特殊領域的催化劑，貴金屬含量有時佔30%以上。”中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員張濤的報告，從一組對比鮮明的數字開始，“貴金屬稀缺、昂貴，我們能不能讓每一個原子都發揮作用？”

2011年，張濤團隊在氧化鐵載體上成功制備出鉑單原子催化劑，並提出“單原子催化”概念。15年過去了，這個概念已從一則“學術新聞”發展為多相催化領域的前沿方向。

“單原子催化的本質，是把金屬的原子利用率推到極限——100%。”張濤解釋，“每一個單原子都可以發揮作用，不存在‘躺在內部不干活’的體相原子。”

除了提高原子利用率，單原子催化還會改變反應的吸附機理。他用一個形象的對比說明單原子催化的獨特之處：“以乙炔加氫為例，乙烯在多原子位點上以σ鍵強吸附，容易過度加氫﹔在單原子中心只能以π鍵弱吸附，選擇性大幅提升。”

更深刻的變化在於研究范式。張濤指出，多相催化一百多年來面臨的核心難題是催化劑表面活性位結構復雜多樣，很難建立構效關系。“單原子催化劑結構均一、活性位明確，為我們提供了原子尺度理解催化機制的理想模型。催化從經驗優化走向原子級理性設計，終於有了可行的路徑。”

目前，元素周期表中主要金屬元素均已實現單原子分散，單原子催化劑在50余種反應中被証明顯著優於傳統催化劑。同時，單原子催化的概念還輻射到生物醫學領域，“單原子酶”被用於傷口檢測。

“催化是現代化學工業的‘心臟’，80%以上的化工過程涉及催化。”張濤說，“用最少、最精准的原子做最高效的催化，這就是單原子催化對國家戰略資源安全最直接的回應。我們正在推動單原子催化邁向更精准、更智能、更實用的新階段。”

康樂：破譯蝗虫“集結號”，在分子層面守護糧食安全

“蝗虫群聚是蝗災暴發的直接誘因，但50多年來，全世界科學家都在找同一個東西：到底是什麼化學信號讓散居的蝗虫聚集成群？”中國科學院院士、中國科學院動物研究所研究員康樂的報告從這個懸而未決的問題切入。

“我們找到了，是4-乙烯基苯甲醚，4VA。”康樂團隊從飛蝗釋放的35種揮發物中一步步篩選，最終鎖定4VA。化學分析、行為驗証、電生理記錄、嗅覺受體鑒定、基因敲除、野外誘捕——六個層面的証據層層遞進，終結了半個世紀的爭議。嗅覺受體OR35也隨之被鑒定出來。

“群聚信息素的發現只是第一步。”康樂說，“我們還要回答：它怎麼來？怎麼阻斷它？”

康樂團隊完整揭示4VA在蝗虫體內的生物合成通路，找到關鍵合成酶，並篩選出抑制劑4-硝基苯酚。“噴洒后，群居蝗虫釋放4VA的量明顯下降，群聚行為被阻斷。我們不僅能‘監聽’蝗虫的通訊，還能‘干擾’它。”

更出人意料的是蝗虫的“雙信號策略”。康樂團隊發現，群居蝗虫同時釋放4VA和苯乙腈（PAN）——前者召集同伴，后者警告天敵，遇到攻擊時PAN還能轉化為劇毒的氫氰酸。“召集與防御並行，蝗虫用兩種化學信號維系蝗群的穩定和遷徙，這就是它成災背后的化學原理。”

在信號傳導機制上，康樂團隊還發現一個非主流路徑，即蝗虫感知4VA不經過經典的GPCR通路，而是直接用IP3作為第二信使傳遞信號。“這是我們揭示的昆虫特有的嗅覺感知方式。”

站在國家需求的角度，康樂報告的重要性不言而喻。“我國有18億畝耕地紅線，蝗災是糧食安全的老對手。從群聚信息素到合成通路到抑制劑，我們建立了一套完整的分子靶標體系。聯合國糧農組織評價說，這將大大提高蝗災預測和防控水平。”

“研究不僅揭示蝗虫化學通訊的奧秘，也為全球蝗災的可持續防控提供關鍵理論支撐。用科學手段從‘虫口奪糧’，這就是我們對國家糧食安全的責任。”他表示。

周忠和：用化石証據回答“我們從哪兒來”

“自達爾文以來，對生命及人類起源的探討，已成為科學界的重大命題。”中國科學院院士、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員周忠和在報告中說，“地質學與古生物學，為回答‘我們從哪兒來’提供了最基礎的証據。”

最早的生命何時出現？目前公認的最早實體化石距今約34.5億年，而37億至41億年前的岩石中已發現生命存在的化學信號。從生命起源到寒武紀大爆發，跨越了約30億年。中國科學家的發現不斷刷新認知：16.4億年前的壯麗青山藻，是最早的多細胞真核生物﹔6億年前的瓮安生物群，保存著動物胚胎化石﹔5.5億年前，就已出現兩側對稱動物……這些發現彌補了前寒武紀化石記錄的不足。

環境劇變與生命躍升密切關聯。24億至22億年前的大氧化事件推動了真核生物的出現﹔7.5億至5.2億年前的“雪球地球”后，地球迎來第二次大氧化事件，海洋和大氣富氧直接促成動物的起源和寒武紀生命大爆發。

5.18億年前的澄江生物群，以大量軟軀體化石揭示早期動物的爆發式創新，奠定了現生動物門類的基本框架。其中，澄江中的昆明魚和海口魚，是迄今最古老的脊椎動物﹔約4.36億年前的重慶化石庫發現的秀山魚、沈氏棘魚，已擁有上下頜，這是脊椎動物走向繁盛的關鍵革新﹔約4.25億年前的夢幻鬼魚，是肉鰭魚類的最早祖先，而肉鰭魚正是所有四足動物的源頭，華南則是肉鰭魚類的早期輻射中心。

脊椎動物登陸的歷程同樣清晰：3.7億年前的提塔利克魚，是最接近四足動物的肉鰭魚，格陵蘭的魚石螺是最早的四足動物之一。植物先一步登陸，為魚類登陸創造了條件。四足動物登陸后，羊膜卵的出現讓爬行動物完全適應了陸地。約2.05億年前，獸孔類的一支演化出早期哺乳形動物。出自我國雲南和東北的化石完整記錄了哺乳動物頜關節和中耳的形成過程。

6600萬年前，小行星撞擊和火山噴發終結了恐龍時代，為哺乳動物騰出生態位。約700萬年前，直立行走的古人類出現﹔280萬年前，人屬誕生﹔31萬年前，智人出現在非洲﹔6至7萬年前，又走向全世界。古DNA研究表明，現代人曾與尼安德特人、丹尼索瓦人共存並有基因交流，大多數現代人血脈裡都有他們的基因。

周忠和最后總結：“化石記錄雖然不完整，但新的發現將不斷修正已有認知。人類並非演化的必然終點，只是無數偶然事件累積的結果。但也正因如此，萬物共祖、共生，我們才不孤單。”

江風益：把半導體缺陷從“大害”變“大用” 走通自己的路

“20多年前，大多數人認為在硅上做氮化鎵LED做不成。熱膨脹系數差太大，生長完一降溫就龜裂。”中國科學院院士、南昌大學教授江風益的報告從一段非共識的選擇開始，“但我們選了這條路。”

23年的努力，換來的是一系列“沒想到”。江風益在報告中列舉了四個：“沒想到硅基氮化鎵LED單面出光，在方向光應用市場有優勢﹔沒想到攻克了‘黃光鴻溝’——566納米黃光功率效率32.7%，峰值光效71%，結束了缺高效黃光LED的歷史﹔沒想到這條路成了AR眼鏡微型顯示屏的共識路線﹔更沒想到我們的理論方法反哺了全球同行。”

四個“沒想到”背后，是一個從材料生長、芯片工藝、專用裝備到器件物理的完整創新鏈條。而其中最顛覆認知的，則是江風益團隊對“缺陷”的重新定義。

傳統觀念裡，晶體缺陷越少越好。但江風益發現，硅基氮化鎵中位錯誘導形成的大V缺陷，反而可以“變害為利”。“P型氮化鎵嵌入V缺陷側壁，形成三維PN結，讓空穴從勢壘高的極性面轉向勢壘低的半極性面注入量子阱，大幅提升注入效率。”

他用辯証法總結這一發現：“V缺陷研究初期認為‘有大害’，要越少越好﹔后來認為‘無大害但有小害’，要越小越好，這是否定﹔我們証明不能太小，要比較大才有顯著優勢，這是否定之否定。V缺陷大到一定程度，二維PN結發展到三維PN結，這是量變到質變。有位錯的V缺陷區域負責空穴注入，無位錯的區域負責內量子效率，兩者比例不能太大也不能太小，這是對立統一。”

這一“V缺陷三維PN結”理論被國際同行廣泛引用，包括諾獎得主中村修二教授團隊，並反哺了藍寶石基氮化鎵LED。

應用層面同樣令人振奮：硅基氮化鎵LED已與硅基電路晶圓級集成，研制出分辨率為6773PPI的微型顯示屏和全球首款黃光AR眼鏡，重量僅為37克。

基礎元器件搞不定，產業鏈就受制於人。江風益說，硅基氮化鎵這條路，中國走通了。“它讓中國擁有了一條完全自主的半導體照明產業鏈，跟日美並立，有些方向甚至超越了。”

薛其坤：從歐姆定律到量子優越逼近零電阻，追問無止境

“1826年歐姆導出歐姆定律。兩百年了，我們對導電性的追問從未停止。”中國科學院院士、南方科技大學教授薛其坤的報告從最經典的物理學定律切入，一路講到最前沿的超導量子計算，“從歐姆定律到量子霍爾效應，從超導到高溫超導，各種新形式的‘歐姆定律’不斷拓展物理學的邊界。”

1911年昂內斯發現汞在4.2K時電阻突降為零，超導由此誕生。1957年BCS理論揭示了超導的微觀本質，但也預言超導轉變溫度上限約40K。這個“天花板”在1986年被銅氧化物高溫超導打破，Tc高達135K。然而，銅氧化物高溫超導的微觀機理至今40年未解。

“我傾向於界面增強機制。”薛其坤透露了他的研究方向，“我們通過轉角約瑟夫森結相敏實驗得到了初步証實。”

2008年鐵基超導被發現，我國科學家很快將Tc提升至56K。薛其坤團隊利用界面增強效應，把單層FeSe的Tc提高到65K以上。2019年鎳氧化物超導被報道后，我國團隊在高壓下將Tc推至80K，薛其坤團隊則通過發展超強氧化能力薄膜技術，常壓下獲得Tc達63K的鎳氧化物薄膜。

“如果室溫超導能實現，那將是人類社會發展史上的一件大事。”薛其坤說，“氮氣無毒、來源廣泛，液氮便宜、安全。一旦超導轉變溫度突破77K液氮沸騰溫度，應用范圍將大大拓展。而室溫超導，意味著能源傳輸、電力電子等技術的重大革命。”

除了能源，超導對信息技術的重塑同樣深遠。薛其坤指出，1947年晶體管發明、1958年集成電路誕生，推動了計算機革命。而超導約瑟夫森效應催生了今天的超導量子計算機。2025年諾貝爾物理學獎授予奠定超導量子計算科學基礎的三位物理學家。

“若最終能研制成功可以運行各種量子算法的超導量子計算機和拓扑量子計算機，這將是人類在信息處理能力方面具有終極意義的技術進步之一。”薛其坤說。

報告結束時，薛其坤作了一個簡潔的總結：“從歐姆定律到超導量子計算，各種形式的‘歐姆定律’使得這一領域不斷深化、不斷拓展。隨著新材料的誕生、新結構組態的發展、各種極端條件的引入，我們期待著更多出人意料的科學發現和驚喜。”

本版內容由本報記者崔興毅、張曉華採訪整理

項目團隊：陳海波、崔興毅、張曉華