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上海率先设立“基础研究特区”,力争产出一批重大原创成果

发布时间:2023/03/27 财经 浏览:112

 

以“特区计划”支持“无用之大用”

上海率先设立“基础研究特区”,力争产出一批重大原创成果

研发一款光帆飞行器,用高能激光推动100纳米厚、展开后约10平方米的光帆,将飞行器加速到光速的20%,飞往离太阳系最近的恒星系统——科幻小说里“三体人的故乡”半人马座α星。这个构想,是不是颇有科幻色彩?复旦大学航空航天系教授徐凡从中发掘出一个科研项目,名为“宇航光帆薄膜结构稳定性与智能调控”。2021年,它入选了上海市基础研究特区计划,获得市科委200万元资助。

近日,徐凡课题组的研究成果发表于《物理评论快报》,并被《自然》杂志“研究亮点”栏目报道。“科幻”研究为何能产出国际顶级科技期刊青睐的成果?上海在全国首创的“基础研究特区”起到了伯乐作用。

鼓励青年人才投身原创研究

“基础研究特区”设立于2021年,是上海市政府《关于加快推动基础研究高质量发展的若干意见》推出的创新举措。在全国率先设立这类特区,旨在选择基础研究优势突出的高校和科研院所,面向重点领域和重点团队给予长期、稳定的支持,引导科研人员心无旁骛地从事前沿探索。为了推动科研组织模式和管理体制机制改革,市科委赋予“基础研究特区”充分的科研自主权,支持机构自由选题、自行组织、自主使用经费。

上海首批“基础研究特区”有3个——复旦大学、上海交通大学、中国科学院上海分院。市政府每年向每个特区投入2000万元,持续5年;三家单位以不少于1∶1的经费比例共同投入。特区实行“区长”负责制,拥有充分自主权,复旦大学校长金力、上海交大校长丁奎岭、中科院上海分院院长胡金波分别担任三个特区的“区长”。据悉,上海市第二批“基础研究特区”计划已启动,同济大学、华东师范大学、华东理工大学成为特区,每家单位每年将获得1000万元资助,持续5年。这6个“基础研究特区”都面向世界科技前沿或国家重大需求,根据自身学科优势遴选项目,探索更适合基础研究特点的管理制度,力争产出一批重大原创成果。

“特区计划启动后,我校的支持对象是45岁以下、需要大力支持的青年科研人员。首批17个项目获得资助,项目负责人平均年龄为37岁。”复旦大学科研院基础研究处处长王浩说,“去年底,我们启动了第二批项目申报,针对交叉类项目新增了双负责人制这一支持模式,鼓励不同学科方向的青年科研人员深入合作,开拓科学前沿。”

市科委基础研究处介绍,特区计划统筹部署重大科技问题带动与好奇心驱动的基础研究,力争培育更多“从0到1”的原创成果。由于鼓励青年人才投身创新性强、不确定性大的研究,一批在传统的政府科技计划中很难立项的课题,通过特区计划获得了数百万元资助。

失败风险高也能获充裕经费

“85后”教授徐凡就是一位享受到改革红利的科学家,他申报的课题入选了复旦“基础研究特区”首批项目。这个项目源自物理学家霍金提出的“突破摄星”计划——研制一款带有光帆的微型飞行器,让数千个飞行器进入太空并展开光帆,再用地球上发射的激光推动光帆,把它们加速到光速的20%,飞往4.24光年外的半人马座α星,探测那里是否有可容纳生命的类地行星。

2018年,徐凡看到《自然·材料学》的一篇社论分析了“突破摄星”计划的可行性,对此很感兴趣。在做了一些理论计算后,他觉得霍金的想法是有可能实现的,前提是研制出具有极限性能的光帆。作为薄膜力学专家,他知道光帆薄膜易起皱,会导致激光反射方向不规则变化,使飞行器偏离航线。如何提升膜结构光帆的形面平整性和稳定性,是一大挑战。

虽然很感兴趣,但因为“突破摄星”非常前沿,争议性也很大,徐凡就没有研究下去。“基础研究特区”计划在复旦启动后,他得知这项计划鼓励青年科研人员勇闯“无人区”,失败风险高的项目也可能入选,就申报了这个项目。经过函评和答辩,“宇航光帆薄膜结构稳定性与智能调控”成功立项。

“这是我拿到的经费最多的单项项目,市科委给了200万元,复旦也有共同投入。”徐凡告诉记者。特区项目的资源投入还可以在中期检查时,根据执行情况灵活调整,他希望届时获得更多的经费支持。

在政府和高校长期、稳定的支持下,徐凡已取得不少进展。在实验室,记者看到一台基于卡文迪许扭秤的激光帆姿态测量装置,装置里有一片小型液晶薄膜光帆,在激光照射下会旋转,偏转角的实验值与理论预测吻合。课题组已为这种装置申请了中国发明专利。

在电脑上,徐凡演示了光帆展开动力学计算结果,只见一张折叠成X形的光帆徐徐打开,与美国“光帆2号”飞行器的光帆展开过程基本一致。据介绍,“光帆2号”以太阳光为动力,2019年在太空实现了光驱动变轨。激光帆则是以激光为动力,技术难度更大,速度也比太阳光帆飞行器快得多。

“无用之大用”催生智能抓手

“基础研究特区”项目看似天马行空,其实也有短期内转化应用的潜在价值。去年10月,徐凡课题组与清华大学教授冯西桥合作研究的成果以封面文章形式,发表于《自然·计算科学》。他们观察到,因存放时间较长而失水的百香果表面会出现复杂的褶皱形貌演化。受此启发,他们发明了一种基于手性形貌的自适应曲面软抓手。实验显示,这种包裹硅胶的软抓手能抓取坚果、石头、玻璃碎片等各种形状和材料的物体,颇为神奇。

徐凡与哈工大专家讨论后认为,智能抓手可用于清除太空垃圾,防止它们损坏航天器。美国国家航空航天局估计,大约有100万块微小碎片在绕地球运行。又轻又小的光帆飞行器如果被碎片击中,就无法完成星际航行,所以有安装智能抓手的需求。这种抓手也可用于其他航天器以及矿井、深海等极端工况环境,以清除或筛选各种颗粒物。徐凡课题组为它申请了中国发明专利,希望尽早实现成果转化和应用。

“这就是基础研究的价值。”徐凡感慨道,“基础研究有‘无用之大用’,虽然实用性比不上应用研究,但可以成为很多技术发明的基础。”

这位曾留学法国的科学家说,法国人有重视基础研究的文化传统,历史上出现过很多大科学家。另一方面,法国的航空、核电等先进制造业也是世界一流,这与他们重视基础研究有密切关系。令他欣喜的是,中国近年来越来越重视基础研究,上海“基础研究特区”的设立,就体现了政府的高度重视和改革作为。