堅守與探索！來看國家科學技術(shù)獎背后2所高校的創(chuàng)新故事

7月8日，。一項項重磅獎項，見證了我國科技事業(yè)的跨越式發(fā)展，也承載著無數(shù)科研工作者“甘坐冷板凳”的堅守與探索。今天，跟教育小微一起來看中國地質(zhì)大學（北京）、西北工業(yè)大學科研團隊的創(chuàng)新故事——

鉆出白堊紀“金柱子”

7月8日，國家科學技術(shù)獎勵大會在北京召開。“松遼盆地國際大陸科學鉆探工程：創(chuàng)新與發(fā)現(xiàn)”榮獲2025年度國家科學技術(shù)進步獎一等獎。

這是一項什么研究，解決了什么科學問題？科技日報記者采訪了項目主要完成人——中國科學院院士、中國地質(zhì)大學（北京）教授王成善團隊。

近期，北半球遭遇歷史性高溫天氣，氣候變暖再度引起關(guān)注。

20多年前，王成善就意識到，氣候變暖是人類面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。在46億年的演化歷史中，地球經(jīng)歷了冰室氣候、溫室氣候兩種狀態(tài)。現(xiàn)在處于冰室氣候，最顯著特征是高緯度地區(qū)覆有冰蓋。“但冰室氣候不是地球常態(tài)，溫室氣候才是。”王成善說。

地球上一次經(jīng)歷溫室氣候是白堊紀——恐龍生活的時代。這個時代有“三高”：高溫、高二氧化碳濃度、高海平面。國際科學界普遍認為，白堊紀氣候能為人類應對可能到來的溫室氣候提供參考。

白堊紀距今約1.45億年至6600萬年，這么久遠的地球氣候，人類如何知曉？

答案藏在巖石中。科學家根據(jù)巖石沉積物能反演地球古環(huán)境和古氣候，而獲取地球深部巖石最直接的手段就是鉆探。為此，王成善決定，在中國松遼盆地實施科學鉆探工程，獲取完整的白堊紀巖石。

“松遼盆地國際大陸科學鉆探工程”項目分三個階段實施：松科一井，鎖定白堊紀—古近紀生物大滅絕界線；松科二井，識別白堊紀大洋缺氧事件；松科三井，重點揭示白堊紀中期有機質(zhì)分布規(guī)律。

2006年8月18日，隨著項目開展，技術(shù)難題接踵而至。王成善回憶，打松科二井時，700多根鉆桿連成7公里長的鉆桿柱，重達200噸。這么一個龐然大物，下井時也像面條一樣搖搖晃晃。

好在，王成善團隊不是孤軍作戰(zhàn)。吉林大學團隊研制出“地殼一號”萬米鉆機，并在松科二井完成“首戰(zhàn)”，創(chuàng)下亞洲國家大陸科學鉆井新紀錄；中國地質(zhì)調(diào)查局團隊完成松科二井鉆探工程，創(chuàng)下四項世界紀錄；中國地質(zhì)大學（武漢）團隊研制出耐超高溫（241℃）的水基泥漿體系，為松科二井成功完鉆完井提供重要支撐……

在約26萬平方公里的松遼盆地上，科研工作者們埋頭苦干，一年又一年。松科一井鉆探2485.89米，松科二井7018米，松科三井3600米，耗時16年，白堊紀地質(zhì)“拼圖”終于完成。2021年，項目組獲得長達8186.96米的連續(xù)巖心，構(gòu)建了全球首個陸相白堊紀地層“金柱子”。

“這不是一個人、一支隊伍的勝利，而是一部協(xié)同創(chuàng)新的交響曲。”王成善說，“沒有國家實力和我國科技總體水平躍升，就沒有松遼盆地科學鉆探的成功。”

松科二井完鉆瞬間。中國地質(zhì)大學（北京）供圖

白堊紀巖心找到了，新的接力開始了——標定巖心“年齡”，解讀巖心奧秘。利用高精度物理測量和年代標定的全流程方法技術(shù)體系，中國地質(zhì)大學（北京）團隊把巖心的描述精度從米提升到了厘米，把連續(xù)時間標尺的精度從百萬年提高到了萬年，為全球開展白堊紀古氣候研究提供了高精度時間標尺。

由于看得更清和更準，恐龍時代的氣候狀況逐漸被揭曉。得益于松遼盆地科學鉆探工程，中國科學家對全球陸相白堊紀成果的貢獻度提升了15%。國際地球科學界評價，松遼盆地科學鉆探是全世界的“燈塔工程”。

在河北燕郊的中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源實物地質(zhì)資料中心，8000多米的巖心被精心分類、悉心保存、認真標定，其承載的厚重歷史，等待著被發(fā)現(xiàn)和講述。

蘇聯(lián)的鉆機曾鉆探到地下約1.2萬米，這是人類迄今鉆探最深處。但這個數(shù)字不及地球平均半徑的0.19%。王成善說，人類“入地”的探索，大幕才剛剛開啟。

向地球深部進軍，王成善期待看到更多年輕的身影、先進的裝備，以及了不起的協(xié)作創(chuàng)新。

鑄就煉鎢“無形鍋”

在距離地面約400公里的中國空間站里，有一臺名為“無容器材料實驗柜”的特殊裝置。鈮合金、鋯合金、鎢合金等一系列需要在極端條件下熔煉的高溫金屬材料，都曾在這臺“煉丹爐”里經(jīng)受高溫考驗。

然而，開展空間實驗成本極高且機會有限，因此先在地面預演失重與懸浮實驗，再將材料樣品送往空間站，成了最經(jīng)濟可行的實驗路徑。為此，中國科學院院士、西北工業(yè)大學教授魏炳波帶領團隊打造了一套模擬太空環(huán)境的科學實驗系統(tǒng)。團隊利用這套系統(tǒng)解決了高性能難熔合金加工提純的世界級難題，攻克了高溫金屬材料的深過冷技術(shù)，為航空航天、能源、國防等領域的工業(yè)生產(chǎn)提供了應用價值。

7月8日，在國家科學技術(shù)獎勵大會上，魏炳波團隊的研究成果“空間極端條件下高溫金屬材料超常調(diào)制技術(shù)與科學實驗系統(tǒng)”獲得2025年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

鎢是自然界中熔點最高的金屬，在高達3422℃的高溫環(huán)境下，鎢才能被煉成鎢水。

用激光束熔化鎢容易，難的是找不到能盛放它的坩堝。魏炳波比喻說：“如果把鎢比作我們要炒熟的飯，那炒這碗飯的難點就在于找不到合適的‘鍋’——還沒等飯炒熟，鍋就先熔化了。”

于是科學家們開始探索如何用無形的“鍋”做“飯”。在太空中，沒有重力影響的材料樣品可以懸浮在空中，因此在這樣的極端條件下，不用容器就能煉鎢。

魏炳波介紹，團隊研制的科學實驗系統(tǒng)，可通過靜電懸浮、電磁懸浮、超聲懸浮、氣動懸浮四種方式，讓實驗樣品在地球也能浮在空中。其中，實現(xiàn)靜電懸浮的難度最大。魏炳波說，其原理并不復雜，“真正的挑戰(zhàn)在于穩(wěn)定控制，如果只把縱向的重力抵消掉，樣品還是會橫向飛走”。

為此，魏炳波和團隊花了20年時間，才找到橫向與縱向電場的最優(yōu)組合，實現(xiàn)了既有懸浮力又有約束力的穩(wěn)定控制。

“雖然靜電懸浮的概念由外國科學家率先提出，但現(xiàn)在我們已經(jīng)在技術(shù)上實現(xiàn)了超越和領先——可處理的材料樣品直徑達15毫米，遠超國外普遍可做的6毫米。”魏炳波自豪地說。

空間極端條件下高溫金屬材料超常調(diào)制實驗系統(tǒng)的靜電懸浮實驗裝置。受訪單位供圖

無形的“鍋”雖然造好了，但真正能產(chǎn)生價值的，還是用它做出國家需要的“飯”。

“我國鋼鐵產(chǎn)量連續(xù)30年穩(wěn)居世界第一，但生產(chǎn)常規(guī)條件下難以制備的特種金屬材料，仍是我們的短板。”魏炳波直言。

利用自主研制的科學實驗系統(tǒng)，魏炳波團隊正在開展高溫金屬材料無容器深過冷與快速凝固研究。

魏炳波以水為例解釋，過冷態(tài)的水結(jié)冰極快，正常狀態(tài)下的水在冰箱冷凍幾個小時才能結(jié)冰，而過冷態(tài)的水只需不到一秒就可結(jié)冰。“把水換成鎢，這個原理同樣適用。過冷態(tài)的鎢水快速結(jié)晶時，晶體的生長速度可達每秒40多米。這意味著原來需要十幾天才能制備一個數(shù)十噸的大型鎢合金部件，未來用我們的技術(shù)可能一秒鐘就能完成。”魏炳波說。

從科學實驗裝備到材料調(diào)制技術(shù)，魏炳波已經(jīng)在這條創(chuàng)新路上走了30年。談及堅持的動力，他想起了自己在德國宇航院空間模擬研究所工作的日子。彼時他的收入是在國內(nèi)的數(shù)倍，但每次討論空間實驗時，他作為外籍學者都被要求離場。

“發(fā)自內(nèi)心的民族尊嚴讓我下定決心回國，我們一定要創(chuàng)造一套中國人自己的科學實驗系統(tǒng)，把核心技術(shù)掌握在自己手中。”魏炳波說。

隨著中國空間站在軌穩(wěn)定運行，空間材料的科研成果也日漸豐碩。“我們造了這口無形的‘鍋’，又做出了這碗‘飯’，不是為了關(guān)起門來自己享用，而是要讓它在國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場上發(fā)揮作用。”魏炳波充滿信心地說，目前團隊已經(jīng)積極開展規(guī)劃，力爭在5到10年內(nèi)實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，將這套科學實驗系統(tǒng)變?yōu)榫哂泄I(yè)生產(chǎn)價值的原創(chuàng)性裝備，生產(chǎn)更多可應用的高價值材料。

文字 | 科技日報記者代小佩、沈唯

來源 |綜合自科技日報微信號、光明科學+視頻號

更多教育信息

關(guān)注微言教育