“DNA納米機器人”研究成果示意圖 國家納米科學中心供圖

■本報記者 甘曉

最近，國家納米科學中心（以下簡稱國家納米中心）研究員聶廣軍收到一張獎狀。在2018年第一屆“率先杯”未來技術創新大賽決賽中，他帶領團隊完成的項目“腫瘤治療納米機器人”獲得優勝獎。

他拿起手機，第一時間把這個好消息告訴了合作者、國家納米中心研究員丁寶全。事實上，幾個月前，倆人已經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顏灝等4個課題組合作，在《自然—生物技術》上發表了一項成果。他們首次利用智能納米機器人在活體實驗動物血管內穩定工作，高效完成定點藥物輸運。2018年，該成果與人工智能、孤性繁殖等一起入選“世界七大技術進步”。2019年初，該成果還入選2018年度中國科學十大進展。

這一“里程碑”式的成果，堪稱中科院納米科學卓越創新中心（以下簡稱納米卓越中心）4年建設發展歷程的代表性工作，也是“卓越”兩字的生動體現。最近，聶廣軍等人正在推進DNA納米機器人產業化的相關工作。

“聚焦‘0到1’的科學問題，吸納全世界優秀人才，長期圍繞一個重大科學問題進行深入、系統研究，以實現創新引領發展的國家戰略。”接受《中國科學報》采訪時，趙宇亮談到自己對納米卓越中心的理解。

作為當今世界上最活躍的科技前沿，納米科學匯聚了現代物理、化學、材料、生物等學科領域在納米尺度的焦點科學問題，促進了多學科交叉融合，孕育著眾多原始創新和科技突破的機會，正在逐步成為技術變革和產業升級的重要源頭。

見微知著，正是納米科學技術最令人著迷之處。

“產業需要納米科學”

納米，原本是一個長度單位，指一米的十億分之一，相當于人類頭發直徑的萬分之一。在過去的研究中，科學家發現，許多物質到達納米尺度將產生原來不具備的新功能，因而納米尺度是一個重要的“分水嶺”。例如，金屬材料的晶胞維持在幾納米時具有非凡的強度和韌性，而納米尺度的蛋白質分子則開始具有生物學功能。

納米材料的奇特性質，為各領域科學研究提供了巨大的發展空間。

對此，趙宇亮更愿意用“納米+”來概括。“納米科學、納米技術，具有一種平臺型科學技術的特點，納米科學家最了解不同物質在納米尺度下的特點。”他說，“納米+不同學科，有望創造新知識及其新應用。”

2013年，中科院啟動“變革性納米產業制造技術聚焦”A類戰略性先導科技專項（以下簡稱納米專項）。納米專項從啟動之初就被寄予厚望。

2013年11月13日，中科院原副院長詹文龍在納米專項啟動會上特別強調，將納米科技創新能力轉化為社會生產力，要不斷加強和落實與企業的合作。“產業需要納米科學！”詹文龍的講話，讓參會的上百位科學家振奮不已。

資料顯示，納米專項按照“創新鏈到產業鏈”“領域核心技術”“制造共性與評價”等3個邏輯層次，劃分為4個項目，分別是“長續航動力鋰電池”“納米綠色印刷與器件制造技術”“納米結構在特定能源、環境與健康中的應用”“納米制造共性技術與標準化體系”。

在納米專項實施過程中，科學家相信，基于納米科學的產業制造技術，一定會成為推動我國相關產業實現跨越式發展的重要力量。

結果沒有讓人失望。以鋰電池為例，研究人員突破了高能量密度動力電池關鍵核心技術，開發了多種動力電池電芯，鋰離子電池能量密度達到305Wh/kg，在長安、奇瑞、知豆、北汽等國產品牌電動汽車上得到應用。

同時，研究人員在綠色印刷制造產業鏈、大規模印制電路、千噸級綠色油墨、藍光激光器和相變存儲材料的規模制造、天然氣高轉化率制乙烯的工業放大等方面取得的進展，也極大促進了相關產業發展。

2018年11月13日，納米專項以優異的成績結題。特別是5年來，納米專項引導社會資金投入及新增產值超過50億元，取得了顯著的經濟社會效益。出席納米專項結題會的中科院重大科技任務局局長于英杰在看完專項成果展后，用“令人震撼”評價上述成果。

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

一直從事納米科學基礎研究的研究員唐智勇在與同行交流中發現，有些產品的質量重現性欠缺。“這次做的產品和上次做的不一致，有時候性質特別好，有時候一般。”這引發了唐智勇的思考：“是不是我們走得太快了？在好多基礎問題沒有完全吃透之前就去做產業化？”

用更專業的話說，納米科學能否突破納米制備的極限，在尺寸、晶面、缺陷和表/界面結構等實現精準控制，已成為這一領域的最重大挑戰。

回到基礎研究中去，聚焦“0到1”的創新，無疑是直面這些問題的不二選擇。

“納米科學從服務于應用出發，科學家又發現了新的科學問題，重新回到基礎科學中去。”國家納米中心研究員魏志祥認為，“這是一種‘螺旋式上升’的認識。”

走向“卓越”是一種必然選擇

2014年，中科院啟動實施“率先行動”計劃、推進研究所分類改革，給了納米科學家啟示。中科院院長白春禮在多個場合強調：“中科院研究所分類改革的重要目標之一就是打破單位間的藩籬，加強資源統籌。”

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與技術研究，也都取得了一些重要突破。但由于研究所各自為戰，存在布局分散、交叉重復等碎片化和孤島現象。那段時間，國家納米中心如何落實“率先行動”計劃，一直是納米科學家思考的重點問題。

答案逐漸清晰，那便是“卓越創新中心”。

根據“率先行動”計劃的頂層設計，卓越創新中心側重基礎與前沿，以明確的重大問題為目標，建設同領域的世界級科學研究中心。突破納米科學上的重大問題、開辟新的研究方法等，正是納米科學家對走向“卓越”的共同期待。

“建設納米卓越中心，是落實‘率先行動’計劃的重要舉措。”趙宇亮說，“有利于充分凝聚中科院在納米科學領域的優勢，更有利于提升原始創新能力和水平。”

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

2015年4月8日，在合肥中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）理化大樓一樓科技展廳里，來自大連化學物理研究所、蘇州納米技術與納米仿生研究所、合肥物質科學研究院（以下簡稱合肥物質院）、中國科大等中科院多家研究機構、高校的頂尖納米科學家齊聚一堂，一場事關納米科學未來的“頭腦風暴”正在展開。

時任國家納米中心主任劉鳴華介紹納米卓越中心的3個領域布局后，熱烈的討論開始了。

其中，研究員裘曉輝負責“亞納米尺度的表界面結構與動力學”。2013年11月1日，他帶領的團隊改裝了“非接觸式原子力顯微鏡”，并獲得世界上首張氫鍵照片，發表在《科學》上。

對于未來，中國科大化學物理系教授羅毅等專家的建議是，目前對于納米尺度的研究已經可以從空間、時間單一層面做到精準測量與表征，未來的挑戰將是如何從空間、時間這兩個方面進行同時測量；而對于精準制造的納米材料表征，則需要精細測量。

這次會議上，學科帶頭人進一步梳理了納米卓越中心的領域方向，整合了研究隊伍，為納米卓越中心科技目標的完成奠定了堅實基礎。

2015年6月，納米卓越中心建設實施方案論證會在北京召開。該中心依托“變革性納米產業制造技術聚焦”A類先導專項建設，是會議形成的重要共識之一。一個月后，中科院院長辦公會通過了這份方案。

9月，在與第六屆中國國際納米科學技術會議同期召開的“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和技術中的關鍵共性問題。“這次大會的舉辦對納米卓越中心科技目標的凝練和工作的完善產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術研討會。這意味著短短半年時間，納米卓越中心的雛形已構建完成。

納米專項結題總體驗收會現場

上“書架”與上“貨架”

2016年2月，納米卓越中心啟動了人才遴選工作。其遴選標準，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準成了納米卓越中心核心團隊的一員。多年來，俞書宏帶領研究團隊在納米結構單元的宏量制備與宏觀尺度組裝體的功能化研究領域取得了長足進展。2016年，團隊因該領域的相關研究再次榮獲國家自然科學獎二等獎。

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研究，絕非以發表文章為終點，更希望能變革產業。

多位科學家一致認同：“納米卓越中心的研究，既要上‘書架’，也要上‘貨架’。”

有利于開展科研創新的“軟環境”是對人才的最大激勵。“體制機制創新也是納米卓越中心快速發展的基礎。”趙宇亮強調，“我們在建設過程中做了諸多嘗試。”

例如，在人事管理方面，納米卓越中心對成員實行雙聘制，即同時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待遇；該中心從中科院外聘用的工作人員，人事關系由依托單位管理，并簽訂三方工作協議。

在成果共享方面，知識產權同時歸屬于納米卓越中心及成員人事關系所屬單位。

“比起論文數量，納米卓越中心更注重科研工作的質量。”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。為了鼓勵納米卓越中心內部的高水平合作，重點獎勵共同合作完成的高質量研究成果。

與之同時推行的“人員動態調整機制”則讓科學家感受到一定壓力。

目前，納米卓越中心已形成一支包含12個卓越課題組、73位研究人員的隊伍，幾乎匯聚了國內頂尖納米科學家。

“納米卓越中心是一個很好的平臺，科學家干勁十足。”俞書宏進一步評價，“有遠大的科學目標，主攻‘從0到1’的重大科學問題，在納米科技領域發揮了引領作用。”

協同合作擦出科學火花

的確，這些制度的實施讓科學家能夠心無旁騖地聚焦于科學研究。

截至2018年底，納米卓越中心共發表科學論文1592篇，其中《科學》和《自然》共4篇。2018年7月，判別基礎科學研究水平的自然指數（Nature Index）數據表明，納米卓越中心已超越全球同類研究機構，在納米科技領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，又實現了復雜分子體系超高分辨成像的突破；用“組裝與礦化”相結合的仿生合成方法，實現人工貝殼材料的仿生設計與制備；首次揭示納米發電機的理論源頭，摩擦納米發電機輸出電壓、電流大幅提高；首次報道碳納米管對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協同合作是分不開的。

生物學專家聶廣軍、納米安全性與納米藥物專家趙宇亮，與分子機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境研究，希望找到一種用具有凝血功能的物質，通過阻斷腫瘤血管“餓死腫瘤”的策略治療腫瘤。

“當時，在臨床和基礎研究者看來，我們的想法幾乎是不可能實現的。”聶廣軍表示。體內凝血一旦不能在腫瘤血管內精準進行，便極有可能在其他地方出現血栓，威脅生命。

對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。

丁寶全團隊具有設計構建DNA分子機器的豐富經驗，在6年多的研究中，研究人員針對腫瘤血管的生理特點，用DNA“折紙術”策略，設計出DNA納米機器人。

“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’結構卷成管狀結構，制作成分子機器。”丁寶全解釋道。當分子機器識別到腫瘤血管內皮細胞標志物“核仁素蛋白”時，“鎖扣”打開，DNA從管狀恢復到片層結構，凝血酶隨即發揮作用。

隨后，聶廣軍團隊開展了小鼠和豬的動物實驗，趙宇亮團隊則在納米機器人的生物安全性方面開展實驗。“長期、系統圍繞同一個科學問題開展深入研究，是納米卓越中心應當做的事。”趙宇亮強調。

唐智勇和合肥物質院固體物理研究所研究員趙惠軍有關催化劑制備的合作也在納米卓越中心支持下進行。“我們把材料真正合成出來之后，用實驗驗證也行得通，但還不夠。”唐智勇解釋，“如果能用理論計算研究這種材料為什么行得通，就可以找到更普適的規律，指導將來的設計。”

“納米卓越中心踐行了‘率先行動’計劃，凸顯了納米科學面向卓越追求的改革成效。”趙宇亮這樣總結。

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

“DNA 納米機器人”入選2018年度中國科學十大進展。

納米卓越中心研究人員正在進行實驗。