修復(fù)故宮精細(xì)文物、剖析病毒復(fù)雜機(jī)理、打造高鐵高強(qiáng)度外殼……這些看起來不相干的領(lǐng)域，都能借助一道神奇之光完成。這道光來自上海同步輻射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡(jiǎn)稱上海光源，英文縮寫SSRF)。
航拍上海光源。
上海光源增強(qiáng)器全景。
上海光源實(shí)驗(yàn)大廳。
作為我國(guó)迄今為止已建成的規(guī)模最大的科學(xué)裝置，上海光源究竟是什么，為何它能夠“萬能”地解決這么多問題?記者來到位于上海張江高科技園區(qū)建筑外形好似“鸚鵡螺”的上海光源，一探究竟。
科技之光，洞悉萬物纖毫
走進(jìn)上海光源內(nèi)部，映入眼簾的是一個(gè)碩大的圓形裝置，裝置外側(cè)分布著一個(gè)個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)站。“上海光源是我國(guó)自主研制的第一臺(tái)第三代同步輻射裝置。”中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所所長(zhǎng)、上海光源國(guó)家科學(xué)中心(籌)主任趙振堂研究員告訴記者，“在周長(zhǎng)432米的環(huán)形加速器中，能量為3.5GeV的電子束以接近光的速度飛行，在拐彎時(shí)放射出高強(qiáng)度電磁波。這些電磁波被‘條分縷析’成從遠(yuǎn)紅外到硬X射線等不同波長(zhǎng)的、高品質(zhì)的同步輻射光，傳送到實(shí)驗(yàn)站的樣品上。”
至于同步輻射光到底能干什么，中科院院士沈文慶有過生動(dòng)闡釋：“這些光可以看得到細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、生物體的結(jié)構(gòu)或者材料的結(jié)構(gòu)等等。比如大家都在醫(yī)院照過X光吧，它可以把肉眼看不到的人體內(nèi)部情況看清楚，而同步輻射光和醫(yī)院的X光還是有很大區(qū)別的。它的亮度可以達(dá)到我們平時(shí)用的X光的上百億倍，使人們能夠在原子和分子尺度上觀察物質(zhì)的微觀世界。”
“按研究的不同需求，同步輻射裝置的光束線要對(duì)這些光進(jìn)行單色化和聚焦等再加工，提供滿足實(shí)驗(yàn)要求的高品質(zhì)光束。”趙振堂說。
實(shí)驗(yàn)站上，科學(xué)家借助一束束科技之光開始對(duì)無盡的微觀世界窮纖入微——中科院大連化學(xué)物理研究所包信和院士團(tuán)隊(duì)借助這里的光探索出天然氣直接轉(zhuǎn)化利用的有效方法，被德國(guó)巴斯夫集團(tuán)副總裁穆勒評(píng)價(jià)為一項(xiàng)“即將改變世界”的新技術(shù)，入選2014年“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”與2014年“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”;清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院顏寧教授研究組借助這里的光揭示了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白工作機(jī)理，成為世界上第一個(gè)解析出人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1的三維晶體結(jié)構(gòu)的科學(xué)家，該成果被美國(guó)科學(xué)院院士、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白研究專家羅納德·魁百克(Ronald Kaback)稱作“50年以來的一項(xiàng)重大成就”，入選2014年“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”;北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院李彥教授課題組借助這里的光，發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管的手性選擇性生長(zhǎng)機(jī)制，有助于解決單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)可控生長(zhǎng)這一困擾學(xué)界已久的難題，在碳納米材料研究領(lǐng)域取得了“世界級(jí)成果”;首都醫(yī)科大學(xué)羅述謙教授課題組借助這里的光，在國(guó)際范圍內(nèi)首次觀察到了大鼠肺泡結(jié)構(gòu)……
“還有許多與老百姓息息相關(guān)的研究成果都是在這里完成的。”上海光源國(guó)家科學(xué)中心(籌)副主任何建華研究員說，“比如H7N9禽流感病毒囊膜蛋白結(jié)構(gòu)就是通過上海光源得到解析，弄清了H7N9感染人的傳播機(jī)制。我們甚至還可以通過這里的光源看到PM2.5的真實(shí)結(jié)構(gòu)，看清一粒稻米中不同營(yíng)養(yǎng)成分的確切分布。”
事實(shí)上，上海光源已被應(yīng)用到許多研究領(lǐng)域，其性能水平、運(yùn)行開放和成果產(chǎn)出在國(guó)際同類裝置中名列前茅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年上半年，上海光源首批7條線站共提供了超過18萬小時(shí)的用戶實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)，支持用戶課題約7000個(gè)。來自365家高校、科研院所、醫(yī)院和公司的1818個(gè)研究組的約1.2萬名用戶在這里進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究覆蓋的學(xué)科包括生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)考古學(xué)、環(huán)境和地球科學(xué)、高分子科學(xué)、醫(yī)學(xué)藥學(xué)、信息和能源科學(xué)等。
“為了保證向用戶提供在空間位置上高度穩(wěn)定的同步輻射光，電子束軌道需要穩(wěn)定在亞微米量級(jí)。”何建華說。他還告訴記者，鸚鵡螺的“螺心”——電子儲(chǔ)存環(huán)就是同步輻射光源的主體與核心，里面大約有2.2萬億個(gè)電子在晝夜不停地高速旋轉(zhuǎn)，“螺心”的性能則直接決定了同步輻射光源性能的優(yōu)劣。
“上海光源作為一個(gè)面向國(guó)內(nèi)外用戶開放的國(guó)家重大基礎(chǔ)科技設(shè)施，其首要任務(wù)是通過保證穩(wěn)定運(yùn)行、提供高品質(zhì)的同步輻射光，支持用戶產(chǎn)出重大成果。我們需要營(yíng)造高度綜合交叉、立體合作交流的科研環(huán)境，并建設(shè)一支高水平、專業(yè)化的運(yùn)行開放隊(duì)伍，這是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，也是上海光源人擔(dān)負(fù)的光榮使命。”趙振堂說。
希望之光，孕育科研新生態(tài)
正是上海光源人的精誠(chéng)合作、持續(xù)創(chuàng)新，建成6年多來，首批7條光束線站已幫助用戶完成了大量重大和重要研究工作，有近500項(xiàng)成果發(fā)表于各專業(yè)領(lǐng)域前5%的學(xué)術(shù)期刊，其中有40余項(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然》和《科學(xué)》雜志上。此外，在重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、國(guó)防建設(shè)、緊急衛(wèi)生事件應(yīng)急研究、制藥與化工等產(chǎn)業(yè)研究方面也取得了一系列重要成果。開足馬力的上海光源實(shí)現(xiàn)了250mA的恒流運(yùn)行和亞微米的束流穩(wěn)定性，為用戶供光期間開機(jī)率超過98%，還曾創(chuàng)下連續(xù)供光551.3小時(shí)的最新紀(jì)錄，生物大分子晶體學(xué)光束線站已連續(xù)兩年在解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)量上位列全球第一……
“作為多學(xué)科前沿研究和高新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的大型綜合平臺(tái)，上海光源每年都會(huì)固定向國(guó)內(nèi)外開放兩次課題申請(qǐng)。”中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所大科學(xué)裝置管理部主任范穎告訴科技日?qǐng)?bào)記者，“為了確保對(duì)每個(gè)課題公平，提高光源的使用效率，還要使事關(guān)國(guó)計(jì)民生的重要課題得到科研保障，上海光源實(shí)施了一套‘用戶提出申請(qǐng)，用戶專家來審批’的制度規(guī)范。”
上海光源從用戶中遴選一批權(quán)威專家，組成涵蓋各學(xué)科的用戶委員會(huì)。“現(xiàn)任主任是中國(guó)科學(xué)院院士包信和，像施一公、丁洪等著名學(xué)者均在用戶委員會(huì)的名單中，由這些權(quán)威專家決定項(xiàng)目、給予機(jī)時(shí)。”范穎說。
趙振堂表示：“讓用戶專家自己來評(píng)審和決定，是目前最可能實(shí)現(xiàn)高效、公平和透明的辦法之一。”
由于光源的實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)有限，隨著競(jìng)爭(zhēng)者越來越多，良性的競(jìng)爭(zhēng)壓力也“逼迫”著申請(qǐng)者必須提出更前沿、更創(chuàng)新的科研課題，于是更多重量級(jí)的科學(xué)研究向上海光源匯聚。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李良彬教授多次借助上海光源從事高分子材料研究。作為光源最早的用戶之一，他認(rèn)為這一做法使上海光源獲得了很高的使用效率，“因?yàn)闄C(jī)時(shí)得來不易，大家都盡可能充分利用”。
除此之外，上海光源在設(shè)計(jì)機(jī)時(shí)分配制度時(shí)，特地留出了一部分機(jī)時(shí)用于獎(jiǎng)勵(lì)那些取得杰出成果的科學(xué)家。“如用戶的成果刊登在《自然》或《科學(xué)》等頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上，可獲得額外的機(jī)時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)。”范穎說，“這樣做的目的就是在公平之余兼顧效率，提高光源解決重大科學(xué)問題的能力和提升成果產(chǎn)出率。”
她還告訴記者，上海光源為一些重點(diǎn)課題以及緊急課題還預(yù)留了機(jī)時(shí)。“比如重大疫情發(fā)生時(shí)，相關(guān)的研究可以緊急進(jìn)站;再比如已經(jīng)做出重大成果、臨時(shí)補(bǔ)充一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的課題，只要理由充分并通過專家評(píng)審，我們也為他們提供機(jī)時(shí)保障”。
目前，進(jìn)入上海光源的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目超過90%都是免費(fèi)的，還有一小部分企業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)行象征性的收費(fèi)制，“上海光源這個(gè)由國(guó)家建設(shè)和國(guó)家運(yùn)營(yíng)的大科學(xué)研究平臺(tái)，其目標(biāo)就是服務(wù)于全體科學(xué)家，服務(wù)于國(guó)家戰(zhàn)略。”趙振堂說，“開放、公平、高效的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，還將被不斷豐富，為中國(guó)同類科研平臺(tái)的運(yùn)行管理積累可復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)。”
未來，上海即將建設(shè)成為有全球影響力的科技創(chuàng)新中心，而作為科技創(chuàng)新中心里的“大塊頭”，上海光源正通過不斷完善運(yùn)行管理制度，營(yíng)造公平、透明、開放的科研氛圍，孕育出中國(guó)科研的新生態(tài)。“在這里，我們希望用戶科學(xué)家可以與更多跨領(lǐng)域的研究人員廣泛交流，碰撞出更多跨界的創(chuàng)新靈感。”趙振堂說。
明日之光，照亮中國(guó)科學(xué)未來
在上海光源建成前，我國(guó)很多科學(xué)家不得不向國(guó)外光源申請(qǐng)機(jī)時(shí)，不僅差旅費(fèi)用高、申請(qǐng)周期長(zhǎng)，更難以得到足夠的機(jī)時(shí)。自從有了先進(jìn)的上海光源，大部分科學(xué)家就可以就近做以往在國(guó)內(nèi)不能做的研究了。然而盡管眼前的這個(gè)巨大的“光工廠”在高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，且目前有13條光束線投入運(yùn)行，但面對(duì)眾多領(lǐng)域的科研需求，上海光源的機(jī)時(shí)仍然嚴(yán)重“供不應(yīng)求”。“用戶課題數(shù)量不斷增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)供需矛盾非常突出，目前只能滿足現(xiàn)有用戶機(jī)時(shí)需求的四分之一。”
“接下來，我們會(huì)進(jìn)行光源的二期工程建設(shè)，預(yù)計(jì)到2020年底上海光源將擁有近40條光束線站。”負(fù)責(zé)后續(xù)線站建設(shè)的上海光源國(guó)家科學(xué)中心(籌)副主任邰仁忠研究員告訴記者，“上海光源將可提供近百種先進(jìn)的同步輻射實(shí)驗(yàn)方法，每天讓數(shù)百名不同學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師日以繼夜地工作在各自的實(shí)驗(yàn)站上，開展物理、化學(xué)、生命、材料、環(huán)境、地質(zhì)等學(xué)科研究，或進(jìn)行信息、微電子、化工和制藥等高技術(shù)開發(fā)。”
而就在“鸚鵡螺”的“隔壁”，一個(gè)更加振奮人心的裝置正在悄然地拔地而起，它就是被譽(yù)為第四代先進(jìn)光源的X射線自由電子激光。中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所自由電子激光技術(shù)部主任王東研究員告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“由于性能方面無可替代的優(yōu)勢(shì)，特別是具備超高的亮度、超短的脈沖和極好的相干性，自由電子激光將與同步輻射光源互補(bǔ)，成為一種探索自然奧秘和發(fā)展高新技術(shù)的最先進(jìn)的研究平臺(tái)，使人們從拍分子照片進(jìn)入拍分子電影的時(shí)代，極有助于解決人類面臨的最迫切的問題。”
6年前，《自然》雜志以“中國(guó)加入世界級(jí)同步輻射俱樂部”為題，報(bào)道了上海光源的建成;而今即將建成的大型自由電子激光裝置配合第三代同步輻射光源，將使我國(guó)成為全球僅有的7個(gè)擁有這樣的大科學(xué)裝置集群的國(guó)家之一。
“利用同步輻射和自由電子激光實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)研究所涉及的學(xué)科之眾多、應(yīng)用之廣泛是其他大科學(xué)裝置難以比擬的。”趙振堂說，“希望這個(gè)‘巨大的X光機(jī)’延展出更多新的‘超級(jí)顯微鏡’，照亮和看清更多的未知領(lǐng)域，幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)前沿突破，解決關(guān)鍵科技問題，不斷產(chǎn)出重大成果。”
