世界领先“科研发动机”，让材料观测走出“真空”｜上海科技奖

量子材料为何拥有独特性能？催化剂为什么能够提高反应效率？如何让新能源电池储存更多电能？这些关乎未来产业发展的关键问题，最终都指向材料内部电子的行为机制。然而，长期以来，科学家只能在真空、低温等理想实验条件下研究电子结构，真实工况下的材料变化始终难以直接观测。

位于上海张江科学城的“上海光源”（图源：新华社）

为破解这一难题，从2013年起，时任中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员的刘志带领团队，在上海同步辐射光源建成了能源环境新一代材料原位电子结构综合研究平台，实现了真实工况条件下对新材料中电子物性的精准测量和调控，推动我国相关领域研究跻身国际前列。在今天（7月2日）揭晓的2025年度上海市科学技术奖中，该项目荣获科技进步奖一等奖。

让材料研究走向“真实世界”

随着新能源、量子信息等领域快速发展，研发出一套能在真实工况下观测材料电子行为的强大工具，成为国际材料科学的“兵家必争之地”。

2010年前后，中国科学院召唤刘志、刘啸嵩等科学家回国建设上海光源线站。彼时，刘志是美国劳伦斯伯克利国家实验室终身研究员，已在同步辐射光源领域取得诸多成就。

作为国内最新的“第三代光源”，上海光源设备和性能很先进，但人员年轻，在运行经验和研究上与国际最先进装置还有一定差距。“我希望建立一个按照国际标准运行的世界领先光源平台，同时建立一支装置运行研究队伍，辅助科学家做好研究。”刘志回忆。

2013年，刘志全职回国，作为项目负责人牵头国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目——在上海光源建设能源环境新一代材料原位电子结构综合研究平台，包含两条光束线和三个实验站。这也是基金委当时资助额度最大的单项科研仪器项目。

经过5年持续攻关，刘志和团队骨干带领研究人员“逢山开路，遇水架桥”，最终高标准、高质量地完成了建设任务。2019年，该平台正式开放运行，专家组评价其“综合性能国际领先”。

“2013年至今，中国在大科学装置上的投资是全世界最多的。”刘志感叹，自己赶上了中国大科学装置发展的黄金时期。

实现从技术引进到输出的跨越

同步辐射光源被誉为研究微观世界的“超级显微镜”。然而，光越亮，产生的热量越大，精密光学元件就越容易发生形变，导致成像精度下降。“既要亮，又要准”，一直是国际同步辐射领域的技术难题。

刘志团队给出的解决方案是设计一种全新的APPLE-Knot波荡器。他介绍，团队成员乔山、周巧根通过重新设计波荡器磁铁排布来优化电子运动轨迹，首次实现了将实验所需光束与热量有效分离，把束线热负载从千瓦级降至60瓦以下，使上海光源获得接近理论极限的能量分辨率。

如今，这项原创技术已被英国第三代光源钻石光源采纳实施，实现了我国在同步辐射核心技术领域从“技术引进”到“技术输出”的跨越。

近常压光电子能谱实验站（上海科技大学供图）

另一项关键突破，则让电子结构研究真正走出了实验室。过去，光电子能谱实验只能在接近宇宙真空的环境下完成，而催化剂、电池等材料真正工作时却处于相对高温、高压环境。团队自主研发新一代近常压电子能量分析器，建成国内首个同步辐射近常压软X光谱学线站，使科学家第一次能够在接近真实工作环境下直接观察材料电子行为。

与此同时，团队还建成国际首个集成阿秒超快激光、深紫外激光与真空紫外同步辐射光源的角分辨光子能谱实验站，实现在时间、空间、动量和能量四个维度上同时具备超高分辨探测能力，形成了区别于国际同类装置的核心竞争力。

一台“科研发动机”驱动创新生态

世界首例具有本征相干性的光阴极材料、首次实验证实新型交错磁性结构、低碳制氢催化机理解析……新一代材料原位表征科学平台开放运行以来，一项项国际前沿成果从这台“科研发动机”里诞生。

据统计，该平台已累计向国内外89家高校、科研院所及企业提供超3万小时用户机时，服务668项科研课题。依托该平台发表的论文多达500余篇，其中11篇发表于国际顶尖学术期刊《自然》《科学》等。

与此同时，平台还持续赋能国家新兴产业，如助力某新能源车企研究动力电池材料改性等，并持续为上海光源二期、软/硬X射线自由电子激光装置、合肥先进光源等重大科学工程提供原型技术和关键验证平台。

多年来，这一平台培养出一批活跃在我国大科学装置建设一线的科技人才。刘啸嵩已加入合肥国家同步辐射实验室，领导最新的第四代合肥同步辐射光源建设；团队还有多人出任上海软/硬X射线自由电子激光线站主要负责人。与此同时，平台核心团队已完成代际更替，越来越多80后、90后科研人员走上科研管理一线岗位。

“每次看到有团队利用我们的工具取得新发现，我都非常开心。”在刘志看来，只有自己拥有领先世界的科研工具，中国科学家才能真正走到别人从未抵达的科学疆域。