当“嫦娥六号”从月球背面挖出宝贝，当“地壳一号”从地下万米带来秘密，当20多年悬而未决的数学猜想被一一破解……作为华夏儿女，你怎能不扬眉吐气？

  当C919大飞机实现商业运营，当锂电池、光伏产品扬帆出海，当137个国家与北斗卫星导航系统签下合作协议……作为龙的传人，你又怎能不激情满怀？

  这些年，我们取得一系列重大科技成果。它们，为建成科技强国打下坚实基础；它们，正在成为人民幸福生活的推动力；它们，正在激励更多人改变未来、创造未来！

  本报今起推出《晒晒科技新成果》专栏，走，我们一起去见证、去喝彩！

  蒸发、流动、降雨……看似平常的水循环过程，却蕴藏巨大能量。

  科幻电影《流浪地球》向人们抛出一个问题：面对不可改变的太阳运行规律和对地球的影响，人类如何持续发展？

  在纳尺度物理力学领域探索20余年，中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林给出答案——水伏学，为人类从自然水循环过程中捕获电能提供了新的技术途径。其团队完成的“基于固液界面力电耦合的水伏效应”荣获2023年度国家自然科学奖二等奖。

  “水伏效应的发现源自一次偶然的实验现象。”

  团队成员殷俊回忆：“石墨烯薄膜进出水溶液时，其两端意外产生了电压信号！郭老师迅速捕捉到了这一点。”

  实验的突破总是激动人心。2018年，团队以“水伏技术的曙光”为题在《自然·纳米技术》上发表相关成果，首次提出水伏效应这一新概念，“水伏学hydrovoltaics：从水获电的新途径”由此诞生。

  这意味着什么？“这意味着，雨滴、波浪、水蒸发也可以发电！”

  如果把水伏比作寻找人类可持续发展新能力的“支点”，那这个“支点”可能撬起人类应对全球气候变暖、利用太阳光热的能力。

  水伏效应为提升人类消纳利用太阳光热提供了新的科学途径——发电方式从“拖曳势”的滴水发电到“波动势”的波浪发电，再到水自然蒸发发电的“蒸发势”，发电材料从石墨烯到其他更为广泛的材料。从水中甚至空中取电，不再是异想天开。

  道理说起来简单，若变为现实，每一步都很艰难。

  最初发现的水伏效应电信号极其微弱，必须用高灵敏的电表才能测出毫伏级的发电量。经过多年努力，2019年实现1伏、微安量级的发电量，但要完成他们提出的5年目标：完成“10V＠10mA”（电压达10伏、电流达10毫安），难度很大，“这个目标即使不是‘珠穆朗玛峰’的级别，也如‘青藏高原’般难以企及”。

  “10V＠10mA”，一直挂在实验室最显眼的位置。在理论计算和实验研究中交叉迭代，团队不停地尝试新方案，设计新的实验器件，探索新的发电方式。

  2023年，他们提前一年，达成目标。

  如今，水伏能源技术被越来越多地跟进研究，成为国际学术研究的新兴领域。而中国科学家已开始向下一个“无人区”进发——

  “我们的大脑、大脑里的每个神经元都含有70％以上的水，没有晶体管、没有导线，它们是怎么工作的？我们要去试着解决人类的难题：从水伏能源到水伏生态、水伏智能。”

  郭万林说：“科学前沿的探索往往是孤勇者的战斗，锚定一个方向，一条道走到底，需要勇气，也需要长期的探索积累和思考洞察。”

之二：

瞧！地球有这样的前世今生

作者：本报记者 张蕾

《光明日报》（ 2024年07月17日 01版）

  【晒晒科技新成果】 

  2.6亿年前的地球什么样？对大多数人来说，这很难想象，也很难回答。

  听听科学家怎么说——“那时候，地球各大陆块汇聚，形成贯通南北的超级联合古陆，称为泛大陆。伴随泛大陆的形成和随后的裂解，地球内、外圈层发生剧烈的物质能量交换，导致地球生命与环境发生多次重大事件。”

  这个答案，来自中国科学院院士、南京大学地球科学与工程学院教授沈树忠。

  由沈树忠院士团队与中国科学院南京地质古生物研究所联合开展的“泛大陆关键转折期生物与环境演化”研究成果，荣获2023年度国家自然科学奖二等奖。

  这项研究意义非凡。“如果能够了解40多亿年以来地球发生哪些快速变冷变暖的大事件，生物又是如何响应的，对于认识和理解当今地球的生物多样性与全球气候变化之间的关系，以及未来发展趋势，具有重要启示。”沈树忠说。

  要想弄清楚这些关键问题，就得重建从过去到现在地球系统的变化过程。从2006年开始，他们将在全国各地各类文献中搜集的20多万条化石信息全部录入数据库，力图更精准地记录生物多样性的演化过程。这期间，研究团队不仅建立了高精度的地层框架，还通过大数据和人工智能算法，重建海洋生物多样性演化曲线，揭示了与泛大陆聚合和裂解相关的全球气候剧变与海陆生态系统变化规律。

  地球诞生已有40多亿年，还原其演化过程，无疑是史诗级的宏大叙事。在地质历史上，很多发生在几十万年、几百万年甚至上亿年前的事件，受限于现有的测试技术和分析手段，目前还很难分辨清楚。

  如何解决这一复杂系统研究带来的巨大挑战？“从事地球科学研究，就要通过野外科考获取第一手资料，从丰富的地层和化石材料入手。”沈树忠说，“不过，仅靠传统工作模式还不行，必须结合现代科学手段，变革研究范式，才能实现突破，走到国际前沿。”

  成功的底气源自这里——联合研究团队是全球少数同时掌握古生物大数据、算力和先进算法的“三全团队”！目前，队友们在古生物学、地层学、人工智能、古环境背景等多个方向上紧密合作，正继续加速对化石记录的搜索分析；同时力求建立更高时间分辨率的全球环境因素曲线，再与全球生物多样性曲线进行更加准确、可靠的对比，以便尽快找到史前地球与未来地球的连接点。

  “我们拥有世界上最好的数据，接下来需要继续开发新的分析技术手段，将已有的化石记录与先进的地球系统模型深度结合，打通过去与现在的对比界限。”看来，书写地球史诗，获奖又是一个新的开始。

之三：

给光设计一个“扳手”

作者：本报记者 赵 洁

《光明日报》（ 2024年07月28日 01版）

  【晒晒科技新成果】

  给光设计一个“扳手”，镜头就能更轻薄。未来的显微镜、相机镜头、望远镜，可能不再需要笨重、复杂的镜头组了，仅通过纳米级的超薄结构薄膜，就能实现光的相位调控。

  这是“悬链线光学”的应用前景之一。不久前，中国工程院院士、中国科学院光电技术研究所所长罗先刚及其团队，因为这项研究，荣获2023年度国家自然科学奖二等奖。他们在国际上首次证实：利用光子自旋-轨道角动量相互作用的物理原理，悬链线可以对光产生稳定、可控的“扳手”作用。简单来说，用悬链线结构制造的光学器件，不借助任何凹凸镜面，在二维平面上就能实现光的异常折射、反射，甚至让光旋转成任意姿态。

  什么是悬链线？它是一条两端固定的链条在重力作用下弯曲形成的曲线。生活中常见的蜘蛛网、电线、晾衣绳等都是悬链线结构。就是这样一条看似简单的曲线，隐藏着光学变革的秘密。

  这个变革跨越数学、力学、光学，充满奇思妙想。

  从2003年开始，罗先刚就带领团队尝试用各种数学方法研究纳米尺度的异常光学现象，希望从原理层面突破传统光学理论的限制。

  这一找，就是十年。

  十年间，头脑风暴不停，计算不停，诸多创新尝试虽然取得显著应用效果，但其背后的物理机理仍然不够清晰。

  怎么办？回到基本物理问题——相位因子。杨振宁曾概括20世纪物理学的三大主旋律：量子化、对称性和相位因子。在日常研究中，罗先刚也反复提及，要从基本物理和数学层面去开展原创性的研究，“微观光学是一个巨大宝藏，必须独辟蹊径，从科学研究的‘根’上进行突破”。

  重新出发，会带来原创性突破吗？在既往研究中，科学家通常采用离散型结构去实现相位调控。离散型结构调控自由度高、有表可查，但容易带来相位误差，导致效率降低。

  “眼镜、反射镜、望远镜等各种透镜的表面都是光滑和连续的，能否设计出一种非离散型结构让相位分布也如此呢？”罗先刚的一句话，打开了研究思路。

  “设计结构的过程很像在做集成电路，需要把每个结构的走向、尺寸设计出来，并且精确到纳米级别。”团队成员蒲明博回忆。

  尤其在设计透镜或者涡旋光产生器时，团队费尽功夫。在人工智能尚未广泛应用时，借助计算机编程辅助，团队自己搭建模型、精密计算。“在百毫米量级范围内要设置大量纳米结构，必须让计算机按照一定的函数规则去编程。”蒲明博说。

  模型搭起，图形显露，推导出函数式。直到翻阅大量数学资料后，才确定产生连续线性相位的结构遵循一种特殊的悬链线函数。那一刻，团队成员都有种“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的感慨。

  眼下，团队还在持续深化对悬链线光学的研究。人们能以多高自由度塑造光？探索悬链线光学的最高光场调控自由度是下一步研究重点。

之四：

拓扑电子态研究应用前景广阔

作者：本报记者 齐芳

《光明日报》（ 2024年08月11日 01版）

  【晒晒科技新成果】

  未来，变革性技术会出现在哪个方向？

  拓扑电子态及其材料研究，极有可能。

  拓扑电子态是什么？中国科学院院士、中国科学院物理研究所所长方忠这样解释：“它是一大类新的量子物态，其研究对当前物理学的发展产生了深远影响，不仅深刻改变人类对物态的认识，也为变革性技术的出现提供新的可能。”

  2023年度国家自然科学奖一等奖颁给了由方忠院士领衔的“拓扑电子材料计算预测”。

  对普通人来说，拓扑电子态太难弄懂，但要说到新拓扑材料的可能用途，大家或许就能明白，为什么这个领域会成为国际凝聚态物理界竞争的焦点和热点。它能实现低能耗的电荷输运，用于开发低能耗的电子器件；它将为未来磁存储设备和量子计算机提供关键设备……

  方忠领导的研究小组，是我国拓扑电子态及其材料研究的中坚力量。2003年起，研究团队从零起步、跟跑、并跑到交替领跑，独立做出若干具有国际影响力的工作——计算预测首个量子反常霍尔效应绝缘体、计算预测首个拓扑狄拉克半金属和首个外尔半金属、提出并实现判别拓扑性质的普适计算方法、建立拓扑材料数据库……在关键时间节点上，他们引领了学科的发展，将我国推到拓扑电子材料研究的世界前列。

  中国科学院物理研究所研究员翁红明自2010年回国后，加入方忠团队，并成为核心人员之一。2013年，他和同伴在众多候选物中，经过计算分析，确认化合物砷化钽（TaAs）就是一直在寻找的非磁性外尔半金属。这一结果在国内外引起强烈关注，掀起实验验证外尔费米子的激烈竞争。最终，TaAs成为世界上首个经实验确认的外尔半金属。

  那些伏案计算的日日夜夜、那些走了弯路的焦虑和失望、那些突破瓶颈的欣喜和鼓舞……如今再谈起，都已云淡风轻。翁红明更愿意谈的是科学本身：“我们的研究不仅在拓扑材料上取得突破，更为凝聚态物理发展提供了一种新的研究范式——通过计算研究来推动实验进展。”在他看来，物理固然是一门实验科学，但发展到现在，理论研究应该发挥更大的指导作用，计算研究能从浩如烟海的化合物中迅速筛选出最具潜力的材料，从而加速新物态和新材料的发现。“我们已经形成‘理论计算—样品制备—实验测量—器件开发’的全链条正反馈研究模式。应该说，这一研究范式引领并推动了拓扑电子态研究领域跨越式大发展。”

  理论研究仍要加强，但下一步更要关注如何调控拓扑物态、利用拓扑物性为功能器件的应用奠定基础。方忠说：“前景广阔！我相信，拓扑电子态研究的大门刚刚打开，拓扑时代的黎明即将到来！”

之五：