世界领先科研发动机突破真空实现材料观测上海科技奖

量子材料为何具备独特性能？催化剂究竟如何提升化学反应效率？新能源电池怎样存储更多电能？这些决定未来产业走向的核心问题，最终都聚焦于材料内部电子的行为机制。然而，长期以来，科学家们只能在真空、低温等理想实验条件下研究电子结构，真实工况下材料的动态变化始终难以实现直接观测。

位于上海张江科学城的“上海光源”（图源：新华社）

为攻克这一技术难题，自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率领团队，在上海同步辐射光源成功建成能源环境新一代材料原位电子结构综合研究平台，实现了在真实工况条件下对新材料电子特性的精准测量与调控，推动我国相关领域研究跻身国际领先行列。在今日（7月2日）公布的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。

让材料研究迈向“真实世界”

随着新能源、量子信息等前沿领域迅猛发展，研发出能够在真实工况下观测材料电子行为的先进工具，已成为国际材料科学领域的竞争焦点。

2010年左右，中国科学院邀请刘志、刘啸嵩等科学家回国参与上海光源线站建设。彼时，刘志已是美国劳伦斯伯克利国家实验室终身研究员，在同步辐射光源领域取得了丰硕成果。

作为国内先进的“第三代光源”，上海光源设备与性能十分先进，但团队较为年轻，在运行经验和研究深度上与国际顶尖装置仍有差距。“我希望打造一个按照国际标准运行的世界一流光源平台，同时培养一支专业的装置运行研究队伍，助力科学家取得更多突破。”刘志回忆道。

2013年，刘志全职回国，以项目负责人身份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，涵盖两条光束线和三个实验站。这也是国家自然科学基金委当时资助额度最大的单项科研仪器项目。

经过五年持续技术攻关，刘志与团队骨干带领研究人员攻坚克难，最终高标准、高质量地完成了全部建设任务。2019年，该平台正式开放运行，专家组评价其“综合性能达到国际领先水平”。

“2013年至今，中国在大科学装置领域的投资规模居全球首位。”刘志感慨道，自己有幸见证并参与了中国大科学装置发展的黄金时代。

完成从技术引进到技术输出的历史性跨越

同步辐射光源被誉为探索微观世界的“超级显微镜”。然而，光源亮度越高，产生的热量就越大，精密光学元件更容易发生形变，导致成像精度下降。“既追求亮度，又确保精准”，一直是国际同步辐射领域面临的技术挑战。

刘志团队的解决方案是设计一种全新的APPLE-Knot波荡器。据他介绍，团队成员乔山、周巧根通过重新设计波荡器磁铁排列方式，优化了电子运动轨迹，首次实现将实验所需光束与热量有效分离，将束线热负载从千瓦级大幅降至60瓦以下，使上海光源获得了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——钻石光源采纳并实施，标志着我国在同步辐射核心技术领域实现了从“技术引进”到“技术输出”的历史性跨越。

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突破了实验室局限。过去，光电子能谱实验只能在接近宇宙真空的环境中完成，而催化剂、电池等材料实际工作时却处于相对高温、高压状态。团队自主研发了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，使科学家首次能够在接近真实工作条件下直接观测材料的电子行为。

与此同时，团队还建成了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，实现了在时间、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独特核心竞争力。

一座“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、首次实验证实的新型交错磁性结构、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座“科研发动机”中不断涌现。

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过3万小时用户机时，支撑了668项科研课题。依托该平台发表的论文已达500余篇，其中11篇发表于《自然》《科学》等国际顶尖学术期刊。

与此同时，该平台持续赋能国家新兴产业发展，例如助力某新能源车企开展动力电池材料改性研究，并为上海光源二期、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与关键验证支持。

多年来，该平台培养了一批活跃在我国大科学装置建设前沿的科技人才。刘啸嵩已加入合肥国家同步辐射实验室，主导最新的第四代合肥同步辐射光源建设；团队中还有多名成员担任上海软/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。

“每次看到科研团队利用我们的平台取得新发现，我都感到无比欣慰。”在刘志看来，只有掌握领先世界的科研工具，中国科学家才能真正抵达前人未曾探索的科学疆域。