作者:夏建白 来源:科学网微信公号 发布时间:2020/8/7 23:07:23
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日本理化研究所的启示:做基础研究不能急功近利

 

作者 | 夏建白(中国科学院院士、中国科学院半导体研究所研究员 )

前不久写过一篇关于美国贝尔实验室的文章,主要强调该实验室重视基础研究成果转化为生产力,尽快制成高科技产品推向市场,使得美国的科学技术水平稳居世界第一。

但是贝尔实验室这种几万人集中的模式中国学不来,它的规模太大,需要投入的资金太多。

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我想另外再找一个和我国情况相近的国家——日本看看。

日本在明治维新之前,和中国一样,是个封闭的农业国家。18世纪末,被美国等西方国家打开大门,日本人不保守,积极学习西方先进的科学技术和政治制度,发展自己的科学技术和工业,在第二次世界大战以前就已经成为世界强国。

二次大战中被打败,战后在美国的扶植下,很快恢复了元气。本文要介绍的是日本理化学研究所(以下简称“理研”),它于1917年成立,至今已有一百多年历史。

目前理研在全国有10个分所,共计450个研究室,从事科学研究的人数为7000名。其规模和研究内容比中国科学院小多了。

1. 日本人有危机感,知道自己是一个资源小国,要想在世界上站住脚,不能靠资源、劳力,只能靠产品。

理研成立的目的是:“日本虽然人口众多,但工业原料和资源匮乏,只能靠知识的力量来培育产业,以此来使国家发展。”所以他们做研究,都是集中力量,追求高质量,要做就做世界第一。

在回旋加速器研究方面,日本始终都走在世界前列。1937年理研的小型回旋加速器完成,重28吨。回旋加速器是由美国的劳伦斯于1932年发明。5年以后,理研的仁科芳雄(1890-1951)就造出了世界上第2台回旋加速器。

理研造这台加速器,就是要研究费米的设想:用中子轰击铀,可以合成93号元素。

1944年日本又完成了210吨的大型回旋加速器。二战结束后,美国占领军认为回旋加速器能用来制造原子弹,将这两台加速器拆了,沉入东京湾。

1965年,仁科研究室的朝永振一郎以“量子电动力学领域的基础研究”获诺贝尔物理学奖。第二年,日本战后第一台多功能回旋加速器(直径160厘米)完工。

2. 日本为了使他们的产品在世界市场上有竞争力,努力提高产品的质量,企业界主动与科学研究机构合作。

他们利用日本制造的大型装置:电子能量80亿电子伏特的同步辐射加速器Spring-8、X射线自由电子激光装置SACLA、超级计算机“京”等解决了许多工业界的重要技术问题。

2012年以后,工业界在这些大装置上获得了世界先进水平的成果:

(1)成功解析了用于光合作用的水分解反应的催化剂;

(2)丰田汽车公司的排气催化剂;

(3)住友橡胶工业株式会社的轮胎橡胶成分优化,科学家对轮胎橡胶进行了同步辐射研究,在质子加速器J-PARC上进行了运动解析,驱动“京”在分子规模上进行设计,最后成功生产出低耗能、高耐磨的先进轮胎。

所有这些都提高了日本产品在世界市场上的竞争力。

以理研的研究成果为核心来创办企业,理研认可的企业就是理研的创业板。例如2007年,理研成立了动物过敏检查,以及生产遗传基因的全自动解析装置的理研创世纪。2016年Healios公司从iPS细胞分化出RPE细胞,生产用于治疗黄斑变性的药品。这些企业都是理研创业板的代表。

除了理研创业板,还有许多企业和理研的有关研究小组合作,把理研的研究成果商品化。例如用于消毒用的最短波长、高效的深紫外LED技术;遗传基因检查系统研究小组与松下医疗保健株式会社的合作;理研和住友理工会社合作的机器人联合中心等。

3. 反过来,企业对基础研究做出了积极的回报。

理研的成立就从实业家们以及三井、三菱等财阀那里募集资金,同时又对政府游说,让国家制定了从国库得到补助金的法律。

随着理研的研发进展,相关的企业陆续诞生,共有63个会社、121个工厂成为理研康采恩企业集团的成员。1939年从这些企业得到的经费占总研究费用的82%。

4. 根据需要和实际情况,花大力气在某个领域建立世界第一的资源中心,为创新的基础研究创造条件。

2001年建立的理研生物资源中心所拥有的细胞材料是世界上规模最大的。依托这样的条件,京都大学的iPS细胞研究所所长山中仲弥发明了iPS细胞,获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。

iPS细胞可以以人类皮肤为材料,生成人类的各种组织和器官,这在人口老龄化的社会是非常具有应用价值的。

在这个中心建成以前,各种各样的生物材料散落在各所大学,当研究者退休时,这些材料就不知所终。在生物上任何实验要在科学上成立必须有“再现性”。

为了这个“再现性”,必须使用同样的实验材料以及同样的生物资源。生物资源中心就为研究者提供这样的资源。目前生物资源中心为日本6000多个研究机构提供材料,结果的10%已见诸论文。

在ipS研究的基础上,理研又成立了多细胞形成中心(CBD),iPS开始走向临床。开始是治疗黄斑变性、骨髓干细胞再生等,第二代的再生医疗是人造器官,包括牙齿、头发等。

5. 做基础研究需要有坚持不懈的精神,不能急功近利。

森田发现113号新元素是一个很好的例子。2003年9月森田小组在理研仁科加速器研究中心开始了寻找新元素的研究。

在直线加速器RILAC上,用30号元素锌的原子核轰击83号元素铋的原子核。如果击中发生核聚变,得到质子数为30+83=113质子的新元素。但是击中并发生核聚变的概率是非常非常小的。

2004年7月23日森田小组终于合成了一个113号新元素。但是这种新元素寿命很短,需要以很快的速度观察并记录它的存在。当时,理研发布了消息:“我们已经成功地发现了113号元素,它比迄今为止确认存在的所有元素都重¼¼”。

2005年4月2日,森田小组取得了第二次的合成成功。2年内得到了2个原子。

但是这个发现必须得到2个国际组织的认可:国际纯化学和应用化学联合会(IUPAC)以及国际纯粹与应用物理学联合会(IUPAP)。

批准元素优先权属于这个组织推荐的6人联合工作小组(JWP)。但是森田的发现还没有得到JWP的承认,认为他们的结论证据还不够充分。

轰击实验继续进行,但奇怪的是2005年以后再也看不到合成的迹象。

直到2012年8月12日,终于得到第3个113号元素原子,并且伴有a衰变。当年9月27日JWP发来了授予命名权的邮件。从2003年至2012年经历了8年,终于获得了成功。

事后森田是这么说的:“只讲做这个实验,也花费了9年以上的时间,用离子束轰击的时间合计超过570天。因为搞了100天也不出来结果怎么办?那只有再干100天,实验条件不能改变。

渴望快出成果,就很容易想到改变实验条件试试。但我和共同研究者们不断抵抗住了改变实验条件的诱惑。

即使是那么冗长而又枯燥的、几乎见不到光明的实验,我的共同研究者们还是一丝不苟地做好实验准备工作,认真对待每一个实验步骤,对此我表示深深的感谢。”

6. 日本的科研对策和制度

(1)1984年理研提出面向21世纪今后10年科学技术政策的基本方针:“振兴富有创造性的科学技术,开展具有国际性的科学技术研究,并推动科学技术与人类以及社会的和谐发展。”

(2)1989年建立新的博士后制度。以前在大学里,博士后的研究很多是由教授给定的。理研的博士后制度为:“给你研究经费,让你去想去的研究室独立研究。博士后的竞争很激烈,有时高达8:1,研究期限只有3年,3年后进行考核,有些人就成为研究员或教授。”

(3)1989年理研和大学建立了协作研究室院制度。现在理研和36所大学有合作关系,大学的研究生可以到理研做实验,理研的研究员也可以在大学里担任客座或协作教授。这个制度给理研注入了新鲜血液,研究者可以积累教育经验,从而可以更加促进自己的研究。

(4)将理研和产业界的结合用制度和组织形式固定下来。2016年理研和物质材料研究机构以及产业技术综合研究所3个机构一起转变为“特定国立研究开发法人”。1987年一些企业成立了一个“和理化学研究所的亲睦会”,目的是促进理研和产业界的交流。

(参考书:山根一真,《理化学研究所——沧桑百年的日本科研巨头》,戎圭明译,上海科学技术出版社,2019年。)

 
 
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