4月26日，2022年度天津市科技奖揭晓，包括“微纳结构光电子芯片关键制备工艺和应用”、“二氧化碳人工合成淀粉”等一批在所在领域内具有奠基意义的原创科研成果获得特等奖，而这些项目都已开始探索产业化道路。

这意味着在不远的未来，人们可能看到一系列如同魔法般的场景：一张自拍，就能实时解读皮肤状态，分辨哪种化妆品最适合自己；把水和二氧化碳导入工厂，无需播种、除草、灭虫、收割……，只要启动设备，就能获得源源不断的淀粉，满足生产生活需要。

这些实现“从0到1”重大突破的科研成果，何以在天津“扎堆”出现？是什么带来了科学成果“野蛮生长”？

(相关资料图)

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把十五万个光谱仪微缩到0.5平方厘米，一共要几步？

对摊位上的西瓜拍一张照片，不再需要挨个敲打，就能知道哪个西瓜最甜；

对癌症患者病灶拍一张照片，就能知道癌细胞是否已经转移，现有的癌细胞是否已经切除干净……

实现这些场景的基础，就是微纳结构光电子芯片。一颗这样的芯片，不过0.5平方厘米，半个手指甲那么大，却相当于15万台目前使用的光谱仪同时工作，还可以获取物体的动态光谱信息。

▲超光谱成像芯片及单个微型光谱仪示意图

▲超光谱成像示意图及数据

相比于发展了70余年、技术成熟、竞争激烈的集成电路芯片，微纳结构光电子芯片仍是芯片产业中一片蓝海：位于科技最前沿，很多技术领域都有待开发，市场前景广阔。而且，相比于集成电路芯片，我国在这一产业中的很多方面，已经站在了世界前列：“光子晶体超光谱成像芯片”、 “量子态产生及操控芯片”……每一项都顶着“国际首款”“世界纪录”“全球首创”的光环。

这些光环的基础，正是刚刚获得2022年天津市技术发明特等奖的微纳结构光电子芯片关键制备工艺。这一成果背后，是清华大学电子工程系教授黄翊东及其团队18年的研究。

▲黄翊东团队部分成员在超净实验室中

2003年，是黄翊东在日本芯片产业界工作的第十年，她决定重返母校清华大学，开始微纳结构光电子芯片研究。在当时，无论国内外，这个领域都是刚刚起步。

黄翊东一脚踩进了这个近乎一片空白的前沿科研领域，从基本结构开始积累，很快她就感到，在微纳光电子芯片这个新赛道上，无论是前沿的创新研究，还是成果的产业落地，都亟需解决制备工艺这一问题，但这并不容易。

“相比集成电路芯片，微纳结构光电子芯片制备材料多样、工艺复杂，芯片结构要用原子级别的尺度度量，其制造对操作者的操作手法有很高的要求。”

探索制备工艺，就要通过实际生产各种类型的微纳结构的光电子芯片。但生产设备每台都要几百上千万，还必须工作在无尘恒温恒湿实验室下。为了保证成品率，每台设备最好都有固定的操作维护人员。随着研究深入，技术路线逐渐明晰，项目产业化势在必行，建在清华大学内的实验室已经不能满足这一需求。但如果要做产业化探索，买设备、建实验室、培训人员，加上日常维护和耗材，至少要一个亿，每年还要投入上千万运营维护，需要寻求经费和场地的支持。

怎么办？

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来天津，黄翊东有了意外收获

2013年，黄翊东开始担任清华大学电子工程系主任。2015年，电子工程系与天津市合作，在滨海新区中新生态城建立“清华大学天津电子信息研究院” ，探索高校与产业界在科技成果交流合作方面的新机制。也是在这里，黄翊东有了意外收获。

“和滨海新区对接，协商合作建立电子院过程中，我作为科研人员，建议在这里做光电子芯片的产业化探索。这个想法立即得到了天津市方面的积极响应。”

启动资金，天津市拿出了近一个亿。资金迅速到位后，没费什么力气，实验室在2017年底顺利搭建完成，地点就在清华大学天津电子信息研究院内。

从一开始，黄翊东就决定这个实验室不能依靠财政养活，“拿财政拨款，研究人员不会有攀登高峰、克服困难的内生动力。”在她的坚持下，以实验室为依托，团队成立了天津华慧芯科技集团有限公司，搭建起国际上首个跨材料体系的微纳光电子芯片中试平台，面向市场承接全国范围内研究机构的研发代工订单：既维持平台运营，又积累经验。8年来，先后为500多个科研团队的前沿研究和企业的新产品研发提供定制微纳结构芯片，其中包括北京大学、中国科学院、浙江大学等80多所大学及研究机构的科研团队，为团队积累了宝贵的经验。

“这些积累，最终形成这次获奖的技术成果。”曲迪说。

硕果不止于此——基于制备工艺的突破，黄翊东团队在国际上首次研制出超光谱成像芯片，并以此为基础，发布数款产品原型。利用这一技术，科研人员首次读懂大鼠脑部神经元的活跃状态，为进一步探索生物大脑运行奠定了基础。

▲大鼠脑部神经元活跃状态的解读示意图

在今年，华慧芯科技集团投资建设的我国首条跨材料体系微纳光电子芯片定制代工线将正式投产，可规模化生产激光器、调制器、超结构等高端光电子芯片，进一步满足光通信、自动驾驶、增强现实等领域对高端光电子芯片的需求。其中，高端光通信光源芯片广泛应用于5G基站、数据中心、骨干网络等建设场景，此类芯片进口率目前超过90%，项目投产后将助力缓解“卡脖子”问题。黄翊东的逆光而行，终于结出了累累果实，如今，她还在这一领域不断攀登。

而在天津收获梦想的科研人员，不止她一个人。

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就像在森林里走夜路，你连有没有路都不知道

“喝西北风”这句俗语，意指没有东西吃。但在天津，有一群人用了6年时间，正在努力把“喝西北风”填饱肚子变成现实——他们在尝试从二氧化碳到淀粉的人工合成。不久前，这一项目刚刚获得2022年天津市自然科学特等奖。而现在，一套二氧化碳合成淀粉规模化测试装置已在调试运行。

“我们希望把淀粉生产实现工业化。”人工合成淀粉项目首席科学家，中科院天津工业生物技术研究所所长马延和这样描述未来团队的研究方向。

▲中科院天津工业生物所人工合成淀粉研究团队

8年前，马延和到北京参加一场学术会议，讨论二氧化碳排放和利用的途径。在返程的列车上，研究了一辈子微生物的马延和突然想到，有没有可能利用合成生物学技术，抛开植物生理机制和生化过程，实现从二氧化碳到淀粉的人工合成？

“淀粉其实是粮食中的主要成分，又是重要的化工原料。但所有淀粉都是来自农业。如果我们能实现这一设想，那么就解决了二氧化碳利用和粮食安全两个问题。”

马延和的想法，其实是全球众多科学家的梦想，但一百多年来，尚无一人成功。

回到天津，马延和就召集团队讨论可行性。

“当时大家都觉得很难，但是计算机模拟的结果是可行的。我们觉得还是应该做一些有挑战性的研究。马老师就决定组织一个团队，起名‘凭空制造’，由我做团队的项目经理，去尝试实现这个愿景。” 中科院天津工业生物技术研究所研究员蔡韬回忆说。当年，他只有33岁。

▲蔡韬在实验室检查人工合成淀粉

利用计算机技术，团队首先从6000多个反应里面计算出一条只有九步化学反应的反应链条。接下来，就是优化反应条件，走通整个反应。

这一步，团队卡了整整三年。

“就像在森林里走夜路，你连有没有路都不知道”。

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“你这样，如果在我们这足够解聘两次了。”

一般而言，科研人员每三年考核一次，期间如果没有成果问世，没有论文产出，轻则影响晋升，重则结束聘用。但对蔡韬和他的同事来说，没有这样的压力——作为中科院与天津市共建的研究机构，从建设之初，这里就明确：“不唯论文论英雄”。

“考核看科研工作中解决实际问题的效果，职称和晋升按照任务完成度考量——蔡韬这几年的考核，每年都是优秀。”马延和说：“我们这样做，一方面得益于天津市给我们的经费保障，和经费使用的自由；另一方面，我们知道我们做的都是开创性的基础研究，我们希望能真正做出有价值的科研成果。”

同时，天津工业生物技术研究所也实施着一套不同的项目管理机制：“二氧化碳人工合成淀粉”纳入全预算制管理，配备专职科研财务助理，科研人员不必为经费发愁，也不用因为经费用途填数不尽的表格，打成堆的报告，还能自由调用所内外的科研团队和资源配合。

“我们的烦恼都来自科研，来自毫无突破的反应链条——但是一样挺让人绝望的。”蔡韬说。

多次碰壁后，团队借鉴了软件编程中模块化的概念，分块寻找反应中断的原因。经过一段时间的摸索，他们终于找到并克服了阻碍反应进行的热力学不匹配、副产物抑制等因素，将9步反应优化为11步。2018年7月24日，正在汇报研究进展的蔡韬收到了这样一张图片。

试管里的淀粉蓝，意味着团队构建了人工淀粉合成途径的1.0版本，实现了从虚拟到现实的跨越，淀粉真的凭“空”制造出来了。随后的三年里，利用基因技术，团队对生物酶进行了改造，又利用项目革新管理带来的便利，引入中科院大连化学物理研究所李灿院士团队的帮助，优化了反应过程，使淀粉合成能力提升了136倍，达到了自然界玉米淀粉合成的8.5倍。2021年9月，相关论文终于发表在国际科学刊物《科学》杂志上，立即引起全球瞩目。

2022年，蔡韬由中科院天津工业生物技术研究所副研究员提升为研究员。

“我们和同行内部交流时候，大家都很羡慕我能潜心六年做一项研究，他们都开玩笑地说，像你这样，如果在我们这足够解聘两次了。”

“我们现在还在进一步优化整个反应，从现在的结果看，我们已经可以合成更多构成淀粉的糖分子单元，在反应步骤、速率、成本上也都有突破，规模化测试装置即将开始运行。我们也成立了人工淀粉研究中心，除了新即将加入的20名研究人员外，我们还会进一步集中更多学科的力量，努力加速项目的优化和产业化。”马延和说：“如果顺利，年内，我们会有第一批产品问世。”

蔡韬也难掩激动：“我们又可以放手一搏了。”

记者手记

微纳结构光电子芯片关键制备工艺和应用、二氧化碳人工合成淀粉等一批在行业内具有奠基和引领作用的基础科学成果，让2022年天津市科学技术奖成色更足。且更可贵的是，这些尖端科研成果正在走向产业化，将改变我们未来的生活。

基础研究是科技创新的源头和原动力，决定着一个地区创新体系的深度和厚度。但基础研究出成果不易，需要研究者有敏锐的战略眼光，甘坐冷板凳的恒心，和敢于攀登高峰的勇气。加强基础研究，除了科研人员努力，也需要有关方面给科研人员创造良好的科研条件——给他们创造宽容宽松的外部环境，在他们最需要的时候，敢于投早、投小。

随着管理体制和支持政策不断优化，我们也相信会有更多突破性的原创科研成果竞相迸发，自主创新重要源头和原始创新主要策源地也将加速打造。

记者 | 郭曦然

编辑 | 陈彤

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