为一大事来 做一大事去

　　30个重大科技问题树立创新攻坚“风向标”

　　中青报·中青网记者 王璟瑄

　　电池里的离子如何运动，千米深井怎样安全采煤，人工智能如何改变食品制造……在7月15日举行的第二十八届中国科协年会主论坛上，2026重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题集中发布。

　　据了解，自2018年开始，中国科协持续组织开展重大科技问题难题征集发布活动。今年发布的30个问题，既包括对未知世界的基础追问，也直面能源安全、粮食安全、数字安全和人民健康等现实需求，为持续产出原创性、颠覆性科技成果树立“风向标”。

　　例如，前沿科学问题中的“电解液微环境演化机制”看似聚焦微观尺度，却与国家新能源产业密切相关。中国化学会副理事长，南开大学常务副校长、教授，中国科学院院士陈军表示，阐明电解液中离子的体相、界面配位环境及演化机制，有望为电极表面双电层、离子传输等研究带来颠覆性变化，重塑传统电化学理论。对相关机理的进一步认识，将为提升电池功率密度、循环稳定性以及电催化效率提供理论基础。

　　“人与自然互馈的地域分异机制及系统演变规律”，则指向不同区域发展与保护如何协同。中国地理学会学术工作委员会主任委员、中国科学院地理科学与资源研究所研究员、中国科学院院士樊杰表示：“过去我们常常把保护和发展对立起来，但现在我们知道关键在于空间分异。”在他看来，只有科学地回答这个问题，才能精准施策，既保障粮食安全、能源安全、生态安全，又推动绿色低碳、数字智能等新质生产力真正落地。

　　在工程技术层面，问题与国家现实需求的联系更加直接。随着我国煤炭开采深度增加，超千米深井面临高地应力、高地温、高水压和强烈开采扰动，即“三高一扰动”。中国煤炭科工集团首席科学家、中国工程院院士康红普表示，围绕“超千米深井煤矿安全高效开采关键技术”进行攻关，能够安全高效地开采深部煤炭，对煤炭工业的可持续发展、国家能源安全和煤炭保供有非常重大的意义。

　　人工智能正在成为多项工程和产业问题中的关键变量。“AI驱动实现营养功能因子精准设计及功能食品智能制造”重点聚焦通过AI与多组学数据深度融合，突破营养功能因子绿色挖掘、生物合成、智能配方设计等关键瓶颈。中国食品科学技术学会副理事长、南昌大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室主任、中国工程院院士谢明勇表示，这将有助于构建完整的食品智能制造体系，全面推动行业从经验驱动迈向数据驱动。

　　与此同时，人工智能带来的安全挑战也被纳入产业技术攻关。“AI时代数字系统网络韧性设计范式变革”关注的，是传统“封门补漏”式防护难以应对智能化攻击的问题。中国通信学会内生安全专业委员会主任委员、国家数字交换系统工程技术研究中心主任、中国工程院院士邬江兴认为，已有技术系统的局限构成了当前数字生态系统的天花板，“不捅破这个天花板，我们就没法在AI时代达成数字系统的安全向善”。

　　科技问题的产业价值，还体现在对传统产业的改造提升上。中华中医药学会自律与维权专家委员会主任委员、上海中医药大学学术委员会主任、中国科学院上海药物研究所研究员、中国科学院院士陈凯先介绍，针对中药材“高产低效”、野生资源依赖等问题，“基于植物代谢协同机制研究提升中药材品质”有望保障中药材的高品质可持续供给，从根本上保障中医临床疗效，增强公众对中医药的认可，“在助力健康中国战略的同时，也能以药材产业的高效发展推动乡村振兴”。

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极端暴雨天气会否常态化

专家解析今夏风雨为何格外大

中青报·中青网记者 张茜 李思

　　近期台风肆虐、暴雨连连。无论南北，公众直观感觉今夏风雨来得不仅早，且强度令人惊骇。今年的风雨为何格外大？为何台风从南方登陆，北方也要遭殃？我国主汛期还有哪里易发极端天气？未来早发、多发、高强度的极端暴雨天气等是否会成为常态？中青报·中青网记者请国家气候中心、中央气象台、中国科学院大气物理研究所的多位专家一一解答。

　　异常气象条件叠加，推高极端天气概率与强度

　　国家气候中心首席预报员陈丽娟表示，今夏我国气候确实存在异常，“老百姓感觉风雨来得早是对的，有客观气象监测数据支撑”。她介绍，今年我国于4月1日全面入汛以来，全国平均气温为历史同期第三高，降水量为近十年同期第二多。气候异常首先表现为雨季进程总体偏早的特征。例如华南前汛期较常年偏早6天；西南雨季较常年偏早约12天；东北雨季偏早9天；华北雨季偏早8天。

　　她表示，气候异常还表现为“暴雨过程落区重叠，降水极端性强”。此外，北方和南方多地出现强对流天气，局地极端性强，台风“美莎克”和“巴威”的风雨影响大，造成重大灾害。但同时，江汉、西南地区东北部、西北地区大部、内蒙古西部、新疆北部降水明显偏少，出现不同程度的气象干旱。

　　公众感知今夏风雨异常猛烈，暴雨、龙卷风、台风集中暴发，陈丽娟分析，这是人类活动和自然变率共同作用的结果。既有全球变暖的背景，也有今年厄尔尼诺快速发展、西太平洋副热带高压异常偏强、中纬度环流异常、热带季风与台风水汽协同输送等气候因子的共同作用。

　　台风乘坐“列车”，把雨送到北方

　　最近，继广西洪灾、武汉龙卷、台风“巴威”登陆浙江，河北部分地区亦洪灾泛滥，辽宁也频频拉响气象预警。为何台风在南方登陆，暴雨却下到北方？

　　中央气象台首席预报员陈涛介绍，此次“巴威”给河北、辽宁等地带来的降雨“列车效应”特点明显。他解释，在台风外围雨带中，当多个对流云团像火车车厢一样，沿同一条路径依次经过同一区域，将使得该区域持续遭受强降雨云团影响，因此短时降水强度大、累计降水量高，这种现象称为“列车效应”，受“列车效应”影响的地区极易出现大暴雨或特大暴雨，降水致灾风险高。

　　中国科学院大气物理研究所研究员魏科形象地比喻：“可以把台风想象为‘运水车’和高效能的‘加压泵’，它向北方‘远程送水’。”

　　魏科说，台风影响并不局限于登陆地点，它能通过与副热带高压、夏季风等环流系统相互作用，把水汽源源不断地从西太平洋及其邻近海域输送到华北和东北地区。充足水汽北上，遇到北方冷空气南下，搭配地形等因素，就会在北方局地导致大暴雨。

　　预计“七下八上”期间，有2至3个台风或影响我国

　　如今7月刚刚过半，主汛期防汛任务依然艰巨，哪些地方受灾风险较高？

　　国家气候中心正高级工程师李想表示，不同地区面临的风险不同。东北地区大部、华北中东部、华东南部、华中南部、华南大部、西藏东南部和西北部、新疆西南部降水明显偏多，松辽流域、海河流域、黄河流域下游、长江流域下游、珠江流域将出现较重汛情；新疆北部降水明显偏少，存在阶段性气象干旱的风险，东部地区阶段性旱涝转换风险高。华北南部、黄淮、华东中南部、华中中南部、西南地区东部、西北地区西部和新疆等高温日数较常年明显偏多，有阶段性的高温天气过程。此外，今年主汛期台风活跃季提前，夏季台风活动明显增强，盛夏有较强台风北上，影响华北和东北地区的风险高。

　　陈丽娟指出，国家气候中心预测，“七下八上”期间，西北太平洋和南海海域生成台风数为5至6个，有2至3个登陆或影响我国。

　　极端暴雨多发强发是全球变暖驱动的长期趋势

　　今年夏季，我国多地受气象灾害影响严重。未来，夏季早发、多发、高强度的极端暴雨天气等是否会成为常态？

　　魏科表示，近年来，许多类型极端天气发生的风险和强度都在增加，“我们需要逐步适应风险更高的气候环境”。他解释，极端暴雨天气频发与全球变暖密切相关，这是因为全球变暖使空气能够容纳更多水汽，“水汽多相当于燃料多”，强对流和暴雨发展过程中可释放的能量更多，因此更容易出现极端强降水等天气过程。

　　陈丽娟表示，大量研究显示，在全球气候变暖持续加剧的背景下，极端天气气候事件呈现多发、频发、早发、并发等特征。

　　她说：“我国汛期发生的高强度极端暴雨、强对流、北上台风等极端天气不是短期偶然现象，若温室气体排放得不到有效管控，这类极端事件将逐步趋于常态化，暴雨发生时间提前、强度提升、影响范围持续扩张，不断打破传统气候规律。”

　　陈丽娟说，综合来看，极端暴雨多发强发是全球变暖驱动的长期趋势。我国也需立足极端气候发生的气候变化背景，持续完善南北全域防汛、短时强对流预警、台风北上防御体系，适应气候新常态下的防灾减灾挑战。

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以中国原创锚定百年全球催化新坐标

把“顶天立地”的科研做到原子深处

中青报·中青网记者 张渺

　　7月8日，国家科学技术奖励大会、中国科学院第二十二次院士大会和中国工程院第十八次院士大会、中国科学技术协会第十一次全国代表大会在京举行，会上，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）研究员张涛，中国科学院院士、清华大学教授李隽，大连化物所研究员王爱琴、研究员乔波涛、研究员杨小峰共同完成的“单原子催化”项目，荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。

　　据悉，“单原子催化”是由我国科研团队在国际上首次提出并发展的原创科学概念，也是催化科学百余年发展历程中少数由中国科学家提出并获得国际广泛认可的重要概念之一。

　　“我们站在前人的肩膀上，锚定了目标，坚持了数十年，终于成功创制了国际首例实用载体负载的单原子催化剂，并证明它在许多反应中非常有效。”张涛对中青报·中青网记者说，“大家常看到灵光一现的惊喜，但更多的是几十年如一日的默默耕耘。我们立足前人基础，总结过往经验，不断积累，由量变引发质变，才最终提出了这一新概念。”

　　张涛被任命为所在课题组组长时，才刚32岁。

　　那是在1995年，彼时，张涛所在的课题组正陷入“青黄不接”的窘境。一方面，现有的科研任务量不足以支撑课题组的稳定运转。另一方面，团队出现了严重的人才断层——老专家们眼看着到了退休年龄，新的技术骨干却尚未成熟。

　　张涛的导师林励吾院士提出了一个大胆的想法：“何不让年轻人试试？也许他们思想更活跃，能把课题组‘盘活’。”

　　就这样，张涛带领团队，一边集智解决国家需求，一边利用课题组在金属催化方面的技术积累拓展其他领域，寻求更多的发展可能性。催化堪称现代化学工业的“心脏”，在能源转化、材料合成、环境保护乃至生命健康等领域，都发挥着不可替代的重要作用。催化的本质是反应物在“活性位”作用下加速转化为产物的过程，“活性位”的数量与微观结构，直接决定催化反应的活性与选择性。

　　当时，纳米催化正值国际学术风口。“纳米催化再往下做还有什么呢？”张涛反复思考，一个想法逐渐清晰，“如果把每一个原子都分开，让它们各自成为独立的活性中心，这种化学尺寸上的‘极限’一定能激发不同的催化活性”。他带领团队，开始向着更基础、更微观、更艰深、但也更富生命力的科学深处走去。

　　不过，一个小小的纳米粒子都因极易团聚而不能轻易稳定存在，更何况是原子？再加上当时的制备技术和表征水平受限，想要“看见”单个原子都十分困难，想要进一步控制住它们、研究它们的活性，更是难上加难。

　　团队利用国际先进的球差校正电子显微镜等高端表征技术，第一次“看清”单个原子。2009年，团队成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂，其催化活性比传统纳米催化剂提高两倍以上，贵金属用量下降70%到90%。2011年，张涛团队与李隽、美国亚利桑那州立大学教授刘景月等合作，通过催化剂的成功制备、机理的理论研究、仪器的精准表征这一系列扎实的“组合拳”，在国际上率先提出“单原子催化”新概念。

　　“我们通过理论研究，不仅解答了单原子催化剂为什么可以稳定，为什么可以催化，还搞清楚了它是如何来调控化学反应的。这改变了以往如同‘黑匣子炒菜’般对催化反应的理解模式。”李隽说。

　　“单原子催化”概念一经提出，就引发国际学术界的广泛关注，并成为多相催化领域最活跃的研究前沿之一，研究内容也从最初的热催化迅速拓展至光催化与电催化，涵盖环境催化、能源转化、精细化学品合成、拟酶催化和碳资源高效利用等多个方向。

　　“迄今为止，包括我们团队在内的全球研究者，已证明‘单原子催化’在超过50个化学反应中均表现出独特的选择性和活性。这一概念也因此逐渐被认可为在传统催化基础之上的一个跨时代、里程碑式的进展。”张涛说。

　　从概念创立到系统认知，越来越多的科学家加入进来，一同向着放大应用与示范的方向不断前行。在“单原子催化”的指引下，国内外科学家已在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等方面实现工业应用。

　　“我相信，随着‘单原子催化’与人工智能结合，将塑造原子精准催化研究新范式，使高效催化剂的理性设计成为可能，推动全球新能源和绿色化工的发展。”张涛说。

　　回顾团队从濒临解散到引领前沿的历程，张涛感慨：“科学研究、科技进步，一是好奇心的驱动，你会不断地去探知为什么，不断地思考，去研究它最深最本真的奥秘；另外一种驱动，就是国家的需求，或者是人类更大的需求。国家需要什么，你就要把这个做出来。”

　　“以国家需求为己任”，这也正是大连化物所自1949年建所以来一脉相承的底色。“研究所老一辈科学家留下的不仅是丰硕的科研成果，更是他们的品格和精神——这是激励我们不断前行的最宝贵财富。”王爱琴说。

　　一直以来，团队在年轻科研人才培养方面倾注大量心血，始终勉励青年学生和科研骨干要“志存高远，以国家需求为导向”，踏踏实实做“顶天立地”的科研。团队延续“在实战中育人”的培养模式，让青年人才在科研一线的实战中扛任务、经历练，同时充分尊重其自主性和独立性，鼓励他们瞄准最前沿的方向大胆探索。

　　“做博士后期间，张老师给了我非常大的自由度，让我能够完全自主地去探索自己认为最有价值的前沿问题。但另一方面，张老师对我们的要求也非常高，正是在这种既有压力又有空间的氛围中，我迅速成长起来。”乔波涛说。

　　“让不同学科背景的人相互碰撞、彼此托举，是我在‘单原子催化’团队中学习到的可贵理念。在这里，实验、理论与表征从来不是各干各的。这种鼓励学科交叉的文化，让我们在相互支撑中看到了更完整的科研图景。”杨小峰说。

　　张涛为团队树立了一个清晰的目标：“未来，团队的成果一要‘上货架’，变成商品；二要‘上书架’，写入教科书。”

　　“这些长期积累的工作离不开我们国家在过去几十年对基础研究领域的重视和高强度、持续投入。我坚信，这必将催生出更多的创新概念，在基础研究领域引领世界科学前沿。”张涛对中青报·中青网记者说。

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　　王恩哥团队：20余年读懂一滴“水”

　　中青报·中青网记者 王璟瑄

　　7月8日，2025年度国家科学技术奖公布。由北京大学物理学院教授王恩哥、江颖、李新征、徐莉梅，化学与分子工程学院教授高毅勤组成的研究团队凭借“水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究”成果，获得国家自然科学奖一等奖。

　　王恩哥团队这项成果触及一个物理科学中的根本问题。

　　近百年来，凝聚态物理领域大多把“玻恩-奥本海默近似（BO近似）”作为研究物理问题的出发点。然而，对于水这样最常见、却也异常复杂的凝聚态体系，过去常用的理论近似是否足够？那些看似微小、长期被忽略的原子核量子效应，究竟在多大程度上影响着水的结构和物性？

　　围绕这一问题，研究团队用20余年时间，在理论与实验两条路径上持续推进：建立了超越BO近似的物理研究框架，实现对电子与原子核自由度全量子描述；首次“看见”水分子的氢原子和识别单根氢键，定量揭示原子核量子效应对氢键的重要贡献，并进一步把研究从观测和解释，推进到调控，创造出打破“冰规则”的二维冰结构。

　　团队做的，正是把科学界长期被简化掉的那部分“找回来”：把原子核量子效应系统性纳入研究之中，从氢原子波粒二象性的角度，重新理解水、冰等轻元素物质背后的深层规律。

　　从追问一个假设开始

　　2002年，美国物理学家皮特·费布尔曼（Peter Feibelman）提出一个科学畅想：让水在某一种金属表面自发分解，分解过程释放的氢便是氢能的来源。《科学》（Science）杂志刊登了这篇由唯一作者独立创作的理论物理文章。

　　过往的工作经验让王恩哥觉得，这项工作一定很重要。于是他让一位博士生马上研究一下其他金属表面上水的情况，结果所有表面都给出了相反的结论。他们的论文很快在美国物理学会的《物理评论快报》上发表出来，并立即在国际物理界引起很大反响。美国物理学会在第二年的3月年会上设立了一个专场，邀请二人相继做大会报告，公开探讨。然而，两人都无法说服对方。

　　在争论中，王恩哥愈发意识到，很多分歧表面上是对具体现象的不同解释，深层却可能指向一个更根本的前提：“玻恩-奥本海默近似”，这个被凝聚态物理学家用了近百年的理论，是不是应该进行一些突破？

　　2004年，王恩哥开始从头推导，随后请另一位博士生开发了新的理论模拟程序。他们考虑了原子量子属性的最初工作成果发表在2008年的《物理评论快报》上。此后“全量子效应”这个概念在他的脑中逐渐成形，2010年左右，关于如何推进这一研究的构想在王恩哥脑海中逐渐清晰起来。他选择“水”作为突破口，是因为它由轻元素构成，其中质量最小的氢原子占了三分之二，最有可能显现出显著原子核量子效应；同时，也因为水是自然界和生命体系中最重要又最不易被彻底理解的凝聚态物质之一。

　　“看见”世界上最小原子

　　2014年，北大物理学院量子材料科学中心，高分辨扫描探针显微镜下，信号传来，水中的氧和氢正清晰向人们展露它的结构面容。水分子内部单个氢原子及水团簇中单根氢键的图像生成了，王恩哥、江颖他们实现了人类在表面上直接“看见”最小原子的梦想。

　　这次“看见”，有赖于江颖从零起步，在实验室自主研制的一套高分辨扫描探针显微镜系统和原创的原子成像技术。

　　2010年年初，江颖刚结束海外博士后工作。时任北大物理学院院长王恩哥找到他，谈了整整一个下午。谈的不是一项现成的热门课题，而是一个当时仍显模糊甚至带着几分冒险意味的方向：能不能在实验上真正探测到水中原子核的量子效应？

　　江颖听着有些将信将疑。毕竟，原子核的质量比电子大得多，就连最轻的氢原子核的质量也是电子的1800多倍，其波动性和量子隧穿的几率也小得多，原子核的量子效应是否真能在水中显著到足以被观测，并不是显而易见的事情。

　　20世纪80年代开始，国际顶尖实验室在原子级分辨率显微镜技术上持续突破。但对于单个氢原子、单根氢键这样小的结构进行成像，还是一个未被攻克的难题，人们始终缺少直接的原子尺度图像。要跨过这一步，实验技术必须同时满足两个几乎苛刻的条件：既要对氢足够敏感，又不能在探测过程中对脆弱结构造成明显扰动。

　　围绕这个目标，江颖持续改进高分辨扫描探针显微镜系统，发展出原创的高阶静电力扫描探针技术，突破了“氢敏感”和“非侵扰”两大实验技术难题。那些看上去只差毫厘的分辨率和灵敏度，在真正的实验里，往往对应的是无数次调试、比对和推翻重来。对针尖状态的控制、对信号噪声的识别、对样品环境的把握，任何一个环节稍有偏差，结果都可能南辕北辙。

　　这套完全具有自主知识产权的尖端科学仪器设备，其探测灵敏度比国际最好水平高1个数量级以上，获得许多国际知名研究组青睐。

　　2022年，团队通过校企联合攻关，完成了光耦合qPlus型扫描探针显微镜国产化样机的研制，随后实现了该系统的整机国产化和市场推广，打破了我国高端扫描探针显微镜近40年来长期依赖进口的被动局面。

　　“要把简单的事做正确”

　　王恩哥常说一句话：“要把简单的事情做正确。”

　　所谓“简单”，是指问题本身往往并不繁复：一根氢键究竟有多强？一个质子会不会发生隧穿？原子核量子效应到底能不能忽略？恰恰是这些最基础的问题，最容易在长期沿用的习惯和近似之中被视为理所当然。

　　这也是王恩哥组建团队时最看重的东西：不是简单地把几个方向拼在一起，而是让真正擅长不同环节的人，围绕同一个关键问题形成完整链条。

　　在这个思路下，他们形成了一支能够从理论推演到高精实验、从原子尺度到宏观物性形成完整链条的队伍。

　　在团队看来，一个真正重要的科学问题，值得用几年甚至十几年的时间去验证它、捍卫它。一个好的科学问题能把最合适的人聚到一起；一支真正紧密协作的队伍，则能在质疑面前站得住脚。

　　2014年，团队首次获得水分子成像结果后，国际同行曾提出过“伪信号”等质疑。面对质疑，他们没有停留在争辩层面，而是继续沿着实验与理论两条主线不断推进。

　　科学上的说服，从来不是一句话完成的，而是在一次次独立检验和相互印证中逐渐建立起来的。随着证据不断积累，团队关于水体系全量子效应的一系列原创成果获得国际同行广泛认可。

　　今天，全量子效应研究的意义早已不止于“水”本身。全量子效应研究逐渐成为解决轻元素凝聚态体系物理问题的一种新范式。在更广泛的轻元素体系中，这一研究路径还有望为量子材料、能源转换、生命过程相关问题提供新的认识框架和应用场景。

　　读懂一滴水，王恩哥团队用了20多年时间。而原理的重大突破，使得一滴水之外，还有更广阔的未知等待被重新观察、解释与应用。