中国科学报丨王恩哥院士:架起科技成果产业化的“铁索桥”

2021-10-08
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编者按

近日,中金公司“2021科技创新与产业链论坛”在北京举行。物理学家、中国科学院院士王恩哥应邀作主旨报告。

王恩哥院士曾经担任北京大学校长、中国科学院副院长、中国科学院物理研究所所长,为中国科研领域培养了大量优秀人才。2018年,王恩哥院士开始担任松山湖材料实验室理事长,探索新的体制机制推动材料科学研究以及应用的工作。

以下是王恩哥院士此次演讲全文及观点提要。

非常高兴参加今天这样一个论坛,这大概是我第一次参加由金融界组织的论坛。

我作为一个从事物理研究的人,也可以说是物理学家,从读大学算起已经差不多快有45年了。

在过去的几年中,我在广东参加了一个新体制的科研机构建设。我想把过去三、四十年的科研工作经历结合近几年的应用实践体会,借此次机会跟大家讲一讲。这也是我一直在想的,中国能不能在科技成果向产业转化的过程中架起一座“铁索桥”。

这是我们常用的一张描绘科技成果转化中“死亡谷”的图。科技成果向产业转化的过程中,肯定会有这样的“死亡谷”。无论怎么做,这个“死亡谷”总是存在,再好的科技成果都会有很多因素让它在中间停下来。一旦陷入“死亡谷”,无论科技成果做得多好、甚至达到顶峰,也没有用。

我在去广东帮忙之前,跟一些科技界领导探讨过这一情况,他们都不约而同地让我去试一试,为什么中国科技成果在产业转化时会这么艰难。一段时间以后我真正体会到,从科研到商业应用,科技成果只是其中的一件事,能否转化成功是另外的一件事。

在过去的几年里,我也在想这其中有没有规律,我觉得有些人可能找到了这个规律。今天在座的可能就有这样的人,但这个规律能不能被驾驭甚至被复制,还是一直困惑着我。

我先泛泛地讲一讲,为什么需要一些人做科学研究,这些人把自己称作科学家。主要原因是人类在追求生存和发展道理的过程中,有一批人思考得深入一点,他们就逐步变成了科学家。

举个有趣的例子,最近几年我们谈论很多的一件事就是集成电路,中美之间的贸易争端就涉及到集成电路,这引发了大家很多的讨论。但从半导体的发明到信息社会实际上已经走了近一百年,走到今天,这中间有非常清晰的分界:大致可以说科学家做了30年,工程师做了30年,最后企业家、金融家把前面的科技成果成功地推广到市场上,从而进入了信息社会。这三段非常清楚,所以我举这个例子。

最早讨论自然界一些奥秘的人,他们把自己称为物理学家。今天仔细看的话,这中间很多人都不属于今天意义上的物理学家定义。他们研究的重要题目是“世界的本源是什么”,换句话说就是“世界是由什么组成的”、“所有的人、所有的物质都是什么组成的”。有人说是火组成的,有人说是水组成的,有人说这两个都太简单,应该是水、火再加上其它什么共同组成的。

但只有一个人很奇怪,这个人是德谟克利特(Democritus),是个希腊人。我大概十多年前在希腊议会做过一个关于纳米科学技术的讲座,他们授给我一个奖牌,上面有一个大胡子的人。我不认识希腊语,后来我才知道那个大胡子的人就是德谟克利特,可惜的是这个牌子我后来忘记丢到哪里去了。

德谟克利特说他们考虑的都不对,实际上这个世界是由一种最小的、小到不可分的东西组成的,希腊语里叫“埃特姆”(atomos),就是原子。所以希腊人很自豪,认为原子是希腊人第一个想到的。直到二十世纪初,人们才证明原子中间是一个核,外面是电子。后来有人进一步发现,原子核又可以分为中子和质子。

所有这些发展好像和量子力学没有直接关系,其实它们在并行地进行着。但是在重要的拐点上,原子模型却解释了“量子”的概念为什么会出现。

量子力学最主要的三个推动者是普朗克、玻尔和薛定谔。起初,人们碰到的很大的难题,是二十世纪初时物理界的两朵乌云。其中一朵乌云叫“紫外灾难”,这个现象用经典物理理论是不能解释的。普朗克想,有没有一种可能,即能量是不连续的呢?这就是量子的概念。这篇论文是1900年12月19日发表的,他也因此被称作“量子之父”。普朗克人品也很好,但这里我没有时间去细讲他的故事了。

在此之后,有人一直问为什么要有量子?而一直以来原子模型也存在着困惑:核在中间带正电,外面的电子带负电,离得这么近,正负吸到一起不就完了吗?这些问题都无法被解释。这时候出现了另一位伟大的物理学家,我个人认为他跟爱因斯坦是上世纪物理界最了不起的两个人,他就是玻尔。

玻尔发现原来电子只能在特定轨道上运动,不能轻易离开轨道,变换轨道时需要吸收和放出能量,因为两个轨道之间不是靠在一起的,能量自然就是不连续的,这就是量子产生的原因。这些话回过头想似乎都非常简单,没有什么太多的奥秘。

既然有了量子论,大家都在想,我们身边的物质能不能从量子论的角度重新认识它们的物理性质?这自然而然就设想要找到一个方程,这个方程实际上是1925年薛定谔在一次会上讲的,他说已经想好这个方程,但是相关文章是1926年发表的。

物理学里有十个非常漂亮的公式,在座学过物理的人至少能够知道牛顿方程,经典物理学里很多事情都可以从牛顿方程出发得到解释。走进现代物理学,就要靠薛定谔方程。其他重要的公式还包括欧拉方程和麦克斯韦方程等,这里不能多讲了。

科学研究的这段路走了30年。接下来有人讲,这么漂亮的公式,如何用它去算一下周围的材料?结果发现,有一种材料是金属,电子可以自由移动;有一种是半导体,电子跃迁的Gap不大;还有一种叫做绝缘体,电子跃迁的Gap很大。这样一算出来以后,大家就知道了,哦,原来导电要找导体,绝缘要找绝缘体、防止导电。

后来有人想,把半导体做掺杂,使它一边多电子、另一边少电子,这就做成了PN结。做成PN结以后,如果把它加上正电压,PN结就是导通的,电子可以流过去;如果加的是反向电压,PN结就是不导通的,电流就会截断。这就是晶体管的基本单元。

简单地讲,你可以认为晶体管就是开关。集成电路就是把很多个开关放在一起,最后比谁做的开关多、谁控制开关最灵敏。这就是集成电路的基础,大家努力把开关做好。

接下来美国人一直在往前走,二战期间也没有停下来。他们首先在一个固体上做了一个开关。后来有人想这是不是很浪费,于是又在固体上做了一堆开关,这就是集成电路。这条技术驱动的创新路又走了30年,这30年跟我们老百姓还是没有直接关系,用不上。

后来就出现了8个叛逆者,年龄都在30岁左右,他们跑到旧金山附近的一个沙漠地区办起工厂,这就是仙童半导体公司。这件事发生在1957年,我也是这一年出生的。此后与仙童半导体相关的公司不断地分设出来。

我很感谢最早创立这家公司的人,因为那8个叛逆者实在有趣,里面有大名鼎鼎的摩尔,还有诺奖获得者。他们有一点很开明,就是鼓励大家分开,分开以后你做我的上游或者做我的下游,大家合作。甚至最后他们还参与成立了红杉资本,红杉资本到今天都赫赫有名。

为什么会有“硅谷传奇”?我想研究机构、大学、风险资本的共同作用在这里扮演了重要角色,他们一起实现了人才、技术、资本、管理方面的强强结合。

大家都知道,科学和技术越来越不可分,科技解决的是可不可能以及如何高效地实现这种可能,而风险资本加速实现了科学技术的转化。这就是我所呼吁的“铁索桥”。

为什么美国在科技成果转化上做的比较好,一个重要原因就是美国在科技成果产业化的所有关键环节上都不差钱。前些天我跟一个领导讲,为什么它们(美国)在每个关键环节上都不差钱?我认为这是今天中国需要认真研究和解决的。

硅谷是不是唯一的呢?下面说一说我访问曼彻斯特的故事。二维材料石墨烯是明星材料,是两个俄罗斯人在曼彻斯特做出来的。前几年他们一直在约我去交流合作,但是由于我原工作时间的要求,一直没有成行。退下来后我首先想到要去曼彻斯特大学,我们一起举办了一个中英双边研讨会。我与Geim教授两个人坐在一起聊了两天半。

我也很自豪,他们专门把曼彻斯特博物馆的顶层租了下来,作为招待我晚宴的场所。我想这主要是因为他们认为中国是有认真的科学家的,我们做出的工作也是受到国外同行尊敬的。这些都是话外事。

在会议中间,我专门去了曼彻斯特工业博物馆。世界工业革命开始时最重要的蒸汽机,就是在曼彻斯特旁边的一个小镇上生产的。曼彻斯特周围聚集着当时最有名的蒸汽机公司。

我回来以后一直在想,可能硅谷不是第一个科技转化中心,曼彻斯特也不是第一个,前面可能还有其它成功推动实现产业革命的例子,但是每次也许要经过百年才能出现一个。有时候我想,我们至少不能浮躁,中国的“谷”现在不是少,是太多了,所以也就不可能达到这个层面。

2015年初,我从北大去了科学院,参加了国家科创中心的筹建工作。我们选择了合肥的科学岛,它主要研究“人造小太阳”(全超导托卡马克核聚变实验装置,EAST),还选择了上海张江。当时北京的想法是把中关村升级,大家都认为不合适,还是希望重新按照高标准打造,于是就有了现在的怀柔科学城。

我60岁时从行政岗位完全退下来了。2017年开始,广东省提出打造几个省级实验室。刚才北京靳副市长讲要做几个新机构,我觉得比较成功的新体制机构应该是广东第一批建设的四个省级实验室。

广东省提出建设生命健康、智能制造、信息科学、还有材料科学,他们找到我问我能不能帮忙。我说帮忙可以,但我已经没有力气做主任了,就做了一个理事长。为什么我会参与松山湖材料实验室,我告诉大家,特别是金融界的朋友,因为最后所有技术应用都跟材料有关。

我开过一个玩笑,到医院换一颗牙齿,治了半年,最后医生一定问你要进口的还是国产的材料?又比如机器人,它身上所有的东西,胳膊、腿、眼睛、鼻子、嘴、耳朵……每个地方只要被卡住,就是与材料有关。

材料的重要地位,就像是一棵树的树干,树冠上结的是各个领域科技的果实。

2018年在实验室成立时,我曾说过一句话,“谁掌握了材料,谁将掌握未来。”所以大家投资的时候要看准一点,比如这个公司究竟有没有拿手的材料,他们的成果与哪个材料突破有关。

人类文明的进步,一般常用数字年代做里程碑,如1900年量子力学诞生,1926年薛定谔方程诞生;除了数字之外,恐怕只有材料能代表了。比如我们经过了石器、铜器、铁器……直到今天,一直走向未来,每一个时代都与一代材料革命有关。而其它的东西,比如今天人人都离不开的手机,也只出现了几十年,根本表征不了人类的文明进程。

在我们实验室的参与及推动下,后来国家设立了粤港澳大湾区国际科创中心,我们在核心的先行启动区。这个地方当时的优势是具备散裂中子源大装置。

最近我们正在筹建一个新的国家重大科技基础设施。现在还在筹划南方光源。很多大型企业,包括华为研发总部等逐渐聚集过来,与深圳“光明科学城”连在一起,成为第四个国家科创中心,我相信这是未来值得期望的一个地方。

在松山湖材料实验室,我一直想在这里做一个“样板工厂”,通过它来探索科技成果产业化的规律。那么“铁索桥”又是什么呢?

我想铁索桥很可能是一种软实力,用一个新词叫做“创新策源能力”。就是在这个地方聚集各种创新转化的充足资源,包括新型研发机构、人才、资本、活跃产业集群、政府新机制、新政策导向等等,将它们整合在一起,形成一种健康的有利于科技成果产业化的环境。

回到具体工作来看,我们在新能源领域布局了三个方向:锂离子电池、柔性及锌电池、高效晶硅电池。

对中国锂电池研究而言,中国科学院物理研究所是开拓者,现在钠离子电池也是我们首先在做,而且我们一直在研究下一代电池。锌电池方面,我们追求的目标是对风能、太阳能等未来新能源大规模储能应用,这一目标是非常重要且有前景的,目前还有较长期的研究工作要做。

半导体方面,我们瞄准的是第三代半导体,设立了SiC外延材料、器件、模块封装等研究方向。

1997年我在物理所提出来做SiC单晶,后来最早投资支持我们的是新疆生产建设兵团。经过多年的发展才有了今天的天科合达,现在成为北京亦庄第三代半导体的旗舰公司。在松山湖材料实验室,陈小龙等几个团队致力于把单晶切片外延做成高功能器件,我相信我们会做成一个闭合的研发产业链。

金属材料方面,我们建立了高端铜材料、高温合金材料、特种铝合金材料、绿色非晶合金材料几个团队。很多电子产品的电路背板一般都是铜的,但铜箔一定是多晶的。

最近我们团队发展了一个非常巧妙且具有革命性的技术,把多晶铜箔做成了单晶铜箔。这个成果非常重要,这是未来超级铜的基础。

光电器件方面,我们主要研究的目的是做探测器和传感器。研究探测器的团队来自西安光机所的研究人员,现在做的很好,比如晚间可以把夜景看的很清楚。传感器是来自北科大的团队。

另外,我们尝试在硅基上把电子的性质和光子的性质结合起来,物理所团队现在已经能够小批量供货一些材料。如果未来能成功突破材料制备难关,很可能实现弯道超车。

生物医学方面,活体器官目前无法广泛用于临床医疗,主要是因为它的保存期一般不超过2天,如何保存好活体器官是件大事。

科学院的化学所有个团队正在尝试通过仿生控冰的方法延长活体器官保存期限,首先成功实现了脐带血保留,现在又在做卵子精子以及干细胞的保存。如果这条路走通,对药的开发市场会有很大前景。另外,骨水泥的动物试验也在进行中。

二维材料方面,我们可以做到碳、硼氮、硼碳氮等各种纳米纤维的批量生产,以及大面积石墨烯单晶。石墨烯这么多年都说有用,但实际它的本征性质都没有充分用上。我们团队正在做一项突破性研究,将重新给石墨烯产业研究注入活力。

接下来说说先进陶瓷材料。大家都在讲碳中和,碳中和最重要的一点就是如何减排,即减少各种有害排放。付超团队经过长期的努力,发展了一种多孔碳化硅的陶瓷材料,实验室检测超过1万次,结构性能都保持不变。美国大概只能做到1500次、德国也只有3000次,都不如我们。通上天然气,点燃后在孔里燃烧,没有了原来的大火炬。

它的好处在于,第一,大火炬中间燃烧不充分,浪费能源。而我们发展的多孔燃烧技术可以充分利用能源,做到节能。

第二,空气中充满氮气和氧气,它们以分子形式存在。大火炬周边的高温会把氮分子和氧分子分解成原子,之后氮氧容易结合在一起,就形成了PM2.5最大的元凶NO化合物。而我们的多孔燃烧技术在小火苗燃烧过程中,保持在氮气和氧气不分解的温度,因此大大减少了NO化合物的产生。

这种燃烧技术被称为二十一世纪新的燃烧技术,在实际工业生产线上使用其节能高达50%,NO排放每立方米低于30毫克。这是符合北京、上海这样一线城市最高标准的。这种材料目前已经投入产业应用,如已经使用在韶冶炼锌、东阳光炼铝的工厂生产线上,以及胜利油田采油方面。我们最近刚刚跟宝钢和东风汽车签完合作协议。

我们另一个团队研发的透明陶瓷在新一代发光应用方面也取得了成功,实际应用表明我们一盏灯的亮度相当于12-15盏普通LED灯之和,显然可以大大降低电耗。在工业废气治理上我们也布局了两个团队,进展非常顺利。

科学仪器方面,我们团队制造的高端科学仪器已经超过了商业仪器。

先进制造方面,德国制造业60%、70%都采用激光加工。而我们杨小君团队已成功开发并加工了陶瓷、飞机发动机叶片等。我们另一个团队可以实现10米、20米的管子内外同时电镀,内镜可以做到很小很细。

我很感激有广东这样一个学习实践的机会。走出大学校门、走出科研院所的大门,使我懂得了政府政策多重要、金融资本多重要、市场机会多重要、甚至老百姓的习惯多重要。

我也很感激国家开发投资集团给我们设立第一个定向新材料基金,它一定会在科技成果转化中发挥巨大作用。

过去我总隐隐感觉中国的科技界跟企业界是存在隔阂的,科技界和企业界与金融界也有隔阂。

去年我们举办了松山湖新材料高峰论坛(2020),国家开发投资集团董事长白涛代表金融界出席,华为董事兼研究院院长徐文伟代表企业界出席,科学院副院长高鸿钧代表科技界出席。

我们今年将继续举办这个论坛,目前预定的时间是11月25和26日这两天。我们希望通过这个高峰论坛让更多的科学家与金融家、企业家坐在一起交流,欢迎大家参加。

去年,曾任科技部领导的张景安同志来实验室调研,他跟我说松山湖材料实验室是“八不像”,我说您这是批评我呀?可他接着说“八不像就对了,你不像政府、不像过去传统的研究院所、不像大学、也不像公司……,否则你们就做不成事啦。”

我想,那么“八不像”究竟要像什么?

去年我提出了一个“三品论”:样品、产品、商品。我认为传统的大学、研究院所通常做的是“样品”,比如做一个话筒,做了100个以后挑出1个好的,在国际上发一篇优秀的论文。但在松山湖,我们觉得话筒有用,就会找这个团队问他们愿不愿意出校门或研究所大门,到我们实验室这个平台上试一试。

因为在高校和研究所,再把这100个话筒做得一样是不符合他们的定位的。但是在我们这儿不一样,我们的追求不仅仅是发文章,我们是希望把100个话筒都做得一样好,使它成为产品。

所以我突然想到,我们作为新体制的研发机构主要是做“产品”,这才是我们的定位啊!但是“产品”还不是“商品”。产品只能表明所有的工业生产环节都走通了,完成了中试甚至比中试都走的更远一些,不再是实验室的样品。但是产品还需要资本和市场,需要投入和扩大,才能真正做到商品,最终解决产业链供应链的问题,也就是“卡脖子”问题。

我们究竟是不是这样呢?去年我们松山湖材料实验室拿到三个国家的优秀产品奖,我自己觉得我们已经摸出了新型研发机构的一条路子,它是区别于大学和传统国家研究机构的定位,我很自豪!

过去中国很多科技企业都做的非常成功,但是仔细看一看,很多还是以商业模式、服务模式为主导,这是我们历史上有过欠债的原因,也可能是一个发展阶段必须要经历的。

但是随着利润空间、人口红利等因素变化的影响,将来这种缺乏产业关键核心技术的软科技模式不会像以前那样容易。设想一下,如果我国不是14亿人口,是1.4亿或者1400万人口,估计很多大公司就不会是今天的样子。

但是我相信未来10年甚至更长一段时间,一定是硬科技的窗口期。过去国内一个科学家的研究成果是好是坏没人知道,因为无法即时应用、无法在市场上检验。但是未来市场将会很快把科学家的科研成果拿出来检验,这时是真是假就无法再打马虎眼了。

硬科技开始投入很大,肯定要砸钱,但硬科技的寿命很长,往往会带来结构性商机,一旦突破就会带来巨大的成功和丰硕的果实。作为我个人,我常常觉得坚持去做硬科技会很踏实。谢谢大家!

 

 

撰稿:王恩哥