“DNA納米機(jī)器人”研究成果示意圖 國家納米科學(xué)中心供圖

■本報(bào)記者 甘曉

最近，國家納米科學(xué)中心（以下簡稱國家納米中心）研究員聶廣軍收到一張獎(jiǎng)狀。在2018年第一屆“率先杯”未來技術(shù)創(chuàng)新大賽決賽中，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成的項(xiàng)目“腫瘤治療納米機(jī)器人”獲得優(yōu)勝獎(jiǎng)。

他拿起手機(jī)，第一時(shí)間把這個(gè)好消息告訴了合作者、國家納米中心研究員丁寶全。事實(shí)上，幾個(gè)月前，倆人已經(jīng)分享過一次成功的喜悅，這次算是喜上添喜。

2018年2月，聶廣軍與丁寶全、國家納米中心主任趙宇亮以及美國亞利桑那州立大學(xué)顏灝等4個(gè)課題組合作，在《自然—生物技術(shù)》上發(fā)表了一項(xiàng)成果。他們首次利用智能納米機(jī)器人在活體實(shí)驗(yàn)動(dòng)物血管內(nèi)穩(wěn)定工作，高效完成定點(diǎn)藥物輸運(yùn)。2018年，該成果與人工智能、孤性繁殖等一起入選“世界七大技術(shù)進(jìn)步”。2019年初，該成果還入選2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。

這一“里程碑”式的成果，堪稱中科院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（以下簡稱納米卓越中心）4年建設(shè)發(fā)展歷程的代表性工作，也是“卓越”兩字的生動(dòng)體現(xiàn)。最近，聶廣軍等人正在推進(jìn)DNA納米機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)工作。

“聚焦‘0到1’的科學(xué)問題，吸納全世界優(yōu)秀人才，長期圍繞一個(gè)重大科學(xué)問題進(jìn)行深入、系統(tǒng)研究，以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展的國家戰(zhàn)略。”接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，趙宇亮談到自己對(duì)納米卓越中心的理解。

作為當(dāng)今世界上最活躍的科技前沿，納米科學(xué)匯聚了現(xiàn)代物理、化學(xué)、材料、生物等學(xué)科領(lǐng)域在納米尺度的焦點(diǎn)科學(xué)問題，促進(jìn)了多學(xué)科交叉融合，孕育著眾多原始創(chuàng)新和科技突破的機(jī)會(huì)，正在逐步成為技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要源頭。

見微知著，正是納米科學(xué)技術(shù)最令人著迷之處。

“產(chǎn)業(yè)需要納米科學(xué)”

納米，原本是一個(gè)長度單位，指一米的十億分之一，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的萬分之一。在過去的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)到達(dá)納米尺度將產(chǎn)生原來不具備的新功能，因而納米尺度是一個(gè)重要的“分水嶺”。例如，金屬材料的晶胞維持在幾納米時(shí)具有非凡的強(qiáng)度和韌性，而納米尺度的蛋白質(zhì)分子則開始具有生物學(xué)功能。

納米材料的奇特性質(zhì)，為各領(lǐng)域科學(xué)研究提供了巨大的發(fā)展空間。

對(duì)此，趙宇亮更愿意用“納米+”來概括。“納米科學(xué)、納米技術(shù)，具有一種平臺(tái)型科學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)，納米科學(xué)家最了解不同物質(zhì)在納米尺度下的特點(diǎn)。”他說，“納米+不同學(xué)科，有望創(chuàng)造新知識(shí)及其新應(yīng)用。”

2013年，中科院啟動(dòng)“變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦”A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（以下簡稱納米專項(xiàng)）。納米專項(xiàng)從啟動(dòng)之初就被寄予厚望。

2013年11月13日，中科院原副院長詹文龍?jiān)诩{米專項(xiàng)啟動(dòng)會(huì)上特別強(qiáng)調(diào)，將納米科技創(chuàng)新能力轉(zhuǎn)化為社會(huì)生產(chǎn)力，要不斷加強(qiáng)和落實(shí)與企業(yè)的合作。“產(chǎn)業(yè)需要納米科學(xué)！”詹文龍的講話，讓參會(huì)的上百位科學(xué)家振奮不已。

資料顯示，納米專項(xiàng)按照“創(chuàng)新鏈到產(chǎn)業(yè)鏈”“領(lǐng)域核心技術(shù)”“制造共性與評(píng)價(jià)”等3個(gè)邏輯層次，劃分為4個(gè)項(xiàng)目，分別是“長續(xù)航動(dòng)力鋰電池”“納米綠色印刷與器件制造技術(shù)”“納米結(jié)構(gòu)在特定能源、環(huán)境與健康中的應(yīng)用”“納米制造共性技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化體系”。

在納米專項(xiàng)實(shí)施過程中，科學(xué)家相信，基于納米科學(xué)的產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)，一定會(huì)成為推動(dòng)我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重要力量。

結(jié)果沒有讓人失望。以鋰電池為例，研究人員突破了高能量密度動(dòng)力電池關(guān)鍵核心技術(shù)，開發(fā)了多種動(dòng)力電池電芯，鋰離子電池能量密度達(dá)到305Wh/kg，在長安、奇瑞、知豆、北汽等國產(chǎn)品牌電動(dòng)汽車上得到應(yīng)用。

同時(shí)，研究人員在綠色印刷制造產(chǎn)業(yè)鏈、大規(guī)模印制電路、千噸級(jí)綠色油墨、藍(lán)光激光器和相變存儲(chǔ)材料的規(guī)模制造、天然氣高轉(zhuǎn)化率制乙烯的工業(yè)放大等方面取得的進(jìn)展，也極大促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2018年11月13日，納米專項(xiàng)以優(yōu)異的成績結(jié)題。特別是5年來，納米專項(xiàng)引導(dǎo)社會(huì)資金投入及新增產(chǎn)值超過50億元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。出席納米專項(xiàng)結(jié)題會(huì)的中科院重大科技任務(wù)局局長于英杰在看完專項(xiàng)成果展后，用“令人震撼”評(píng)價(jià)上述成果。

科學(xué)家并沒有躺在功勞簿上睡大覺。一種可能的新發(fā)展范式正在納米科學(xué)家的心中形成。

一直從事納米科學(xué)基礎(chǔ)研究的研究員唐智勇在與同行交流中發(fā)現(xiàn)，有些產(chǎn)品的質(zhì)量重現(xiàn)性欠缺。“這次做的產(chǎn)品和上次做的不一致，有時(shí)候性質(zhì)特別好，有時(shí)候一般。”這引發(fā)了唐智勇的思考：“是不是我們走得太快了？在好多基礎(chǔ)問題沒有完全吃透之前就去做產(chǎn)業(yè)化？”

用更專業(yè)的話說，納米科學(xué)能否突破納米制備的極限，在尺寸、晶面、缺陷和表/界面結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，已成為這一領(lǐng)域的最重大挑戰(zhàn)。

回到基礎(chǔ)研究中去，聚焦“0到1”的創(chuàng)新，無疑是直面這些問題的不二選擇。

“納米科學(xué)從服務(wù)于應(yīng)用出發(fā)，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了新的科學(xué)問題，重新回到基礎(chǔ)科學(xué)中去。”國家納米中心研究員魏志祥認(rèn)為，“這是一種‘螺旋式上升’的認(rèn)識(shí)。”

走向“卓越”是一種必然選擇

2014年，中科院啟動(dòng)實(shí)施“率先行動(dòng)”計(jì)劃、推進(jìn)研究所分類改革，給了納米科學(xué)家啟示。中科院院長白春禮在多個(gè)場合強(qiáng)調(diào)：“中科院研究所分類改革的重要目標(biāo)之一就是打破單位間的藩籬，加強(qiáng)資源統(tǒng)籌。”

的確，除了國家納米中心，中科院有很多研究所從事納米科學(xué)與技術(shù)研究，也都取得了一些重要突破。但由于研究所各自為戰(zhàn)，存在布局分散、交叉重復(fù)等碎片化和孤島現(xiàn)象。那段時(shí)間，國家納米中心如何落實(shí)“率先行動(dòng)”計(jì)劃，一直是納米科學(xué)家思考的重點(diǎn)問題。

答案逐漸清晰，那便是“卓越創(chuàng)新中心”。

根據(jù)“率先行動(dòng)”計(jì)劃的頂層設(shè)計(jì)，卓越創(chuàng)新中心側(cè)重基礎(chǔ)與前沿，以明確的重大問題為目標(biāo)，建設(shè)同領(lǐng)域的世界級(jí)科學(xué)研究中心。突破納米科學(xué)上的重大問題、開辟新的研究方法等，正是納米科學(xué)家對(duì)走向“卓越”的共同期待。

“建設(shè)納米卓越中心，是落實(shí)‘率先行動(dòng)’計(jì)劃的重要舉措。”趙宇亮說，“有利于充分凝聚中科院在納米科學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢，更有利于提升原始創(chuàng)新能力和水平。”

“不改革就會(huì)被改革”“以時(shí)不我待的緊迫感推進(jìn)改革”，白春禮的講話時(shí)刻縈繞耳邊，令納米科學(xué)家不由得加快了謀篇布局的步伐。

2015年4月8日，在合肥中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）理化大樓一樓科技展廳里，來自大連化學(xué)物理研究所、蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、合肥物質(zhì)科學(xué)研究院（以下簡稱合肥物質(zhì)院）、中國科大等中科院多家研究機(jī)構(gòu)、高校的頂尖納米科學(xué)家齊聚一堂，一場事關(guān)納米科學(xué)未來的“頭腦風(fēng)暴”正在展開。

時(shí)任國家納米中心主任劉鳴華介紹納米卓越中心的3個(gè)領(lǐng)域布局后，熱烈的討論開始了。

其中，研究員裘曉輝負(fù)責(zé)“亞納米尺度的表界面結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)”。2013年11月1日，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)改裝了“非接觸式原子力顯微鏡”，并獲得世界上首張氫鍵照片，發(fā)表在《科學(xué)》上。

對(duì)于未來，中國科大化學(xué)物理系教授羅毅等專家的建議是，目前對(duì)于納米尺度的研究已經(jīng)可以從空間、時(shí)間單一層面做到精準(zhǔn)測量與表征，未來的挑戰(zhàn)將是如何從空間、時(shí)間這兩個(gè)方面進(jìn)行同時(shí)測量；而對(duì)于精準(zhǔn)制造的納米材料表征，則需要精細(xì)測量。

這次會(huì)議上，學(xué)科帶頭人進(jìn)一步梳理了納米卓越中心的領(lǐng)域方向，整合了研究隊(duì)伍，為納米卓越中心科技目標(biāo)的完成奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2015年6月，納米卓越中心建設(shè)實(shí)施方案論證會(huì)在北京召開。該中心依托“變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦”A類先導(dǎo)專項(xiàng)建設(shè)，是會(huì)議形成的重要共識(shí)之一。一個(gè)月后，中科院院長辦公會(huì)通過了這份方案。

9月，在與第六屆中國國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議同期召開的“全球納米科技主任論壇”上，來自全世界多家納米中心的30多位主任和嘉賓集中探討了納米科學(xué)和技術(shù)中的關(guān)鍵共性問題。“這次大會(huì)的舉辦對(duì)納米卓越中心科技目標(biāo)的凝練和工作的完善產(chǎn)生了事半功倍的效果。”趙宇亮回憶道。

2015年11月，納米卓越中心召開第一次學(xué)術(shù)研討會(huì)。這意味著短短半年時(shí)間，納米卓越中心的雛形已構(gòu)建完成。

納米專項(xiàng)結(jié)題總體驗(yàn)收會(huì)現(xiàn)場

上“書架”與上“貨架”

2016年2月，納米卓越中心啟動(dòng)了人才遴選工作。其遴選標(biāo)準(zhǔn)，一方面要看科研做得好不好，另一方面也要看其研究方向是否與納米卓越中心相契合。

中國科大教授俞書宏便是按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)成了納米卓越中心核心團(tuán)隊(duì)的一員。多年來，俞書宏帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在納米結(jié)構(gòu)單元的宏量制備與宏觀尺度組裝體的功能化研究領(lǐng)域取得了長足進(jìn)展。2016年，團(tuán)隊(duì)因該領(lǐng)域的相關(guān)研究再次榮獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

在這里，俞書宏感到的是一種“默契”的科研氛圍——在納米卓越中心開展的基礎(chǔ)研究，絕非以發(fā)表文章為終點(diǎn)，更希望能變革產(chǎn)業(yè)。

多位科學(xué)家一致認(rèn)同：“納米卓越中心的研究，既要上‘書架’，也要上‘貨架’。”

有利于開展科研創(chuàng)新的“軟環(huán)境”是對(duì)人才的最大激勵(lì)。“體制機(jī)制創(chuàng)新也是納米卓越中心快速發(fā)展的基礎(chǔ)。”趙宇亮強(qiáng)調(diào)，“我們?cè)诮ㄔO(shè)過程中做了諸多嘗試。”

例如，在人事管理方面，納米卓越中心對(duì)成員實(shí)行雙聘制，即同時(shí)擁有在該中心的崗位以及原單位的崗位，保留在原單位的各項(xiàng)待遇；該中心從中科院外聘用的工作人員，人事關(guān)系由依托單位管理，并簽訂三方工作協(xié)議。

在成果共享方面，知識(shí)產(chǎn)權(quán)同時(shí)歸屬于納米卓越中心及成員人事關(guān)系所屬單位。

“比起論文數(shù)量，納米卓越中心更注重科研工作的質(zhì)量。”趙宇亮介紹，成員署名納米卓越中心的高水平研究成果屬于基本要求。為了鼓勵(lì)納米卓越中心內(nèi)部的高水平合作，重點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)共同合作完成的高質(zhì)量研究成果。

與之同時(shí)推行的“人員動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制”則讓科學(xué)家感受到一定壓力。

目前，納米卓越中心已形成一支包含12個(gè)卓越課題組、73位研究人員的隊(duì)伍，幾乎匯聚了國內(nèi)頂尖納米科學(xué)家。

“納米卓越中心是一個(gè)很好的平臺(tái)，科學(xué)家干勁十足。”俞書宏進(jìn)一步評(píng)價(jià)，“有遠(yuǎn)大的科學(xué)目標(biāo)，主攻‘從0到1’的重大科學(xué)問題，在納米科技領(lǐng)域發(fā)揮了引領(lǐng)作用。”

協(xié)同合作擦出科學(xué)火花

的確，這些制度的實(shí)施讓科學(xué)家能夠心無旁騖地聚焦于科學(xué)研究。

截至2018年底，納米卓越中心共發(fā)表科學(xué)論文1592篇，其中《科學(xué)》和《自然》共4篇。2018年7月，判別基礎(chǔ)科學(xué)研究水平的自然指數(shù)（Nature Index）數(shù)據(jù)表明，納米卓越中心已超越全球同類研究機(jī)構(gòu)，在納米科技領(lǐng)域排名升至世界第一位。

納米卓越中心研究人員利用高分辨原子力顯微鏡“看到氫鍵”后，又實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜分子體系超高分辨成像的突破；用“組裝與礦化”相結(jié)合的仿生合成方法，實(shí)現(xiàn)人工貝殼材料的仿生設(shè)計(jì)與制備；首次揭示納米發(fā)電機(jī)的理論源頭，摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流大幅提高；首次報(bào)道碳納米管對(duì)甲基苯丙胺所致精神依賴性的顯著抑制作用……

這些成果的取得，與納米卓越中心鼓勵(lì)協(xié)同合作是分不開的。

生物學(xué)專家聶廣軍、納米安全性與納米藥物專家趙宇亮，與分子機(jī)器專家丁寶全的合作，成就了一段佳話。自2011年來，聶廣軍一直從事腫瘤微環(huán)境研究，希望找到一種用具有凝血功能的物質(zhì)，通過阻斷腫瘤血管“餓死腫瘤”的策略治療腫瘤。

“當(dāng)時(shí)，在臨床和基礎(chǔ)研究者看來，我們的想法幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。”聶廣軍表示。體內(nèi)凝血一旦不能在腫瘤血管內(nèi)精準(zhǔn)進(jìn)行，便極有可能在其他地方出現(xiàn)血栓，威脅生命。

對(duì)于聶廣軍研究中的瓶頸，趙宇亮看在眼里。在納米卓越中心框架下，他“撮合”丁寶全和聶廣軍開展合作研究，期待來自不同背景的研究人員能夠碰撞出火花。

丁寶全團(tuán)隊(duì)具有設(shè)計(jì)構(gòu)建DNA分子機(jī)器的豐富經(jīng)驗(yàn)，在6年多的研究中，研究人員針對(duì)腫瘤血管的生理特點(diǎn)，用DNA“折紙術(shù)”策略，設(shè)計(jì)出DNA納米機(jī)器人。

“我們首先用人工合成的DNA制造出一張長寬分別為90納米、60納米的長方形折紙，裝上凝血酶，用類似‘鎖扣’結(jié)構(gòu)卷成管狀結(jié)構(gòu)，制作成分子機(jī)器。”丁寶全解釋道。當(dāng)分子機(jī)器識(shí)別到腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)志物“核仁素蛋白”時(shí)，“鎖扣”打開，DNA從管狀恢復(fù)到片層結(jié)構(gòu)，凝血酶隨即發(fā)揮作用。

隨后，聶廣軍團(tuán)隊(duì)開展了小鼠和豬的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，趙宇亮團(tuán)隊(duì)則在納米機(jī)器人的生物安全性方面開展實(shí)驗(yàn)。“長期、系統(tǒng)圍繞同一個(gè)科學(xué)問題開展深入研究，是納米卓越中心應(yīng)當(dāng)做的事。”趙宇亮強(qiáng)調(diào)。

唐智勇和合肥物質(zhì)院固體物理研究所研究員趙惠軍有關(guān)催化劑制備的合作也在納米卓越中心支持下進(jìn)行。“我們把材料真正合成出來之后，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也行得通，但還不夠。”唐智勇解釋，“如果能用理論計(jì)算研究這種材料為什么行得通，就可以找到更普適的規(guī)律，指導(dǎo)將來的設(shè)計(jì)。”

“納米卓越中心踐行了‘率先行動(dòng)’計(jì)劃，凸顯了納米科學(xué)面向卓越追求的改革成效。”趙宇亮這樣總結(jié)。

越來越小、越來越精準(zhǔn)，納米科學(xué)讓人類獲得“上帝之手”般的“超能力”，在操控原子、分子間，見微知著。

“DNA 納米機(jī)器人”入選2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。

納米卓越中心研究人員正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。