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崛起的世界一流地学实验室_中国信息报
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更新时间:2011年12月29日 08:16:36

崛起的世界一流地学实验室

——写在北京离子探针中心成立10周年
■  常红/文
 
在中国地学界有这样一座实验室:在它成立后的第一年,其效率便位居世界同类实验室之冠,并且在至今的10年里,这项纪录一直保持着;这座实验室不仅是一个面向全社会提供服务的大型科学仪器共享平台,还是一个有自己的科研团队,取得了丰硕学术成果的地学科研平台,更是一个实现了从远程控制系统到新仪器的研发、制造,具有多项自主知识产权的国家大型仪器的技术创新平台,从机制创新到科研创新,这座实验室10年来取得的突破与成绩、辉煌与梦想,既让人欣慰,也引人深思……
这座实验室便是北京离子探针中心,其领头人是曾经连续担任三届全国政协委员的“李四光地质科学奖”获得者、著名的锆石地质年代学家刘敦一教授。
具有示范意义的大型仪器共享平台
北京离子探针中心(以下简称中心)成立于2001年12月18日,是由科技部命名的国家大型科学仪器中心,其主要的研究领域包括:地质年代学和宇宙年代学研究、定年新技术新方法、矿物微区稀土地球化学研究及解决重大地球科学研究课题中的时序问题等,同时还从事科学仪器研发,“中心”的核心仪器是分别于2001年和2005年从澳大利亚购买的两台“高分辨二次离子探针质谱计(SHRIMPⅡ )”。
对于各国地质学家来说,如今SHRIMPⅡ已是精确的锆石定年研究中不可或缺的科研“利器”,而对于中国人来说,第一次接触它还是在上个世纪的1980年。彼时,刘敦一正在澳大利亚国立大学地球科学院学习锆石年代学。学习期间该院为庆祝SHRIMP研制成功而举办的鸡尾酒会,给刘敦一留下了深刻的印象。那天,全院的科研人员都兴高采烈地来到一间大会议室里,庆祝这台地学新仪器的“诞生”。而当时刘敦一也许没有想到的是,从开始接触到最后得以引进这台仪器,竟用了20年的时间!在这20年里,刘敦一的满头黑发染上了白霜;在这20年里,在刘敦一等科学家的努力下,中国的同位素地质学也从落后的追赶中,取得了长足的进步。
刘敦一曾长期担任过地矿部科技委员会委员、国际地科联副主席、全国政协委员等多种社会职务,利用这些“身份”,他多次向有关部门和领导申请,希望能够引进SHRIMP,经过长期不懈的努力,1998年,15位院士联合署名支持刘敦一关于引进SHRIMP的申请,得到了国土资源部原部长周永康和副部长寿嘉华的支持。1999年,在科技部主持下,由国土资源部、科技部、中科院三家共同出资1750万元购买SHRIMPⅡ的合同终于签订了。
SHRIMPⅡ由于技术复杂、价格昂贵,有能力买得起这种仪器的不多,2001年我国引进的这台SHRIMPⅡ是全世界的第九台,发展中国家的第一台。中国购买了SHRIMPⅡ的消息,很快就在国际地球科学界传开了。国际上很多同行认为,中国引进SHRIMPⅡ是强化中国地球科学研究技术支撑能力的明智之举,具有远见卓识,SHRIMPⅡ将在重大地球科学研究课题中扮演重要角色。而随后,北京离子探针中心在引进SHRIMPⅡ后的10年里,用出色的科研成果和发展业绩有力地证明了当初人们的设想,甚至,还给予了人们更大的惊喜。
——“中心”自成立之日起,就奉行“开放、共享、高效”的运行原则,其核心设备SHRIMPⅡ始终坚持每天24小时,每周7天不间断运行,年分析机时(指仪器进行样品或标准样品分析的时间)保持在7200小时左右,达到科技部有关大型仪器运行效率规定的优秀标准(1600小时/年)四倍之多,10年来,仪器处于样品分析的机时平均为266.8昼夜/年。是公认的世界上运行效率最高的一台SHRIMP。
——10年来,在“中心”申请实验研究机时的研究人员中,不仅有大量共建成员单位的科学家,还有许多其他研究机构、院校的同行、国外及港台的知名学者等。10年来,SHRIMP仪器对外开放机时,平均为76%,大大超过了科技部规定的30%。应用在这座实验室得到的数据而发表在科学期刊上的文章数量:2003年在国内外科学杂志上共发表论文33篇(其中国际期刊4篇),2004年73篇(其中国际期刊8篇)……而最近几年,2009年是132篇(其中国际期刊68篇),2010年是163篇(其中国际期刊文章50篇),2011年为170(其中国际期刊文章61篇)。自2007年起,中心单台SHRIMP 仪器的科研论文产出量已连续位居世界同类仪器的第一位。
“中心”在挂牌之前就已向国内外开放,用刘敦一教授的话来说便是:任何人有效地利用中心的数据获得的成果都是对我们最好的回馈,不论他是哪个部门的,不论他是中国人还是外国人,也不论他的成果是大文章还是基础性的工作成绩。
巴西圣保罗大学教授柯尔丹尼(Umberto Cordani,原国际地质科学联合会主席)是第一个前来中心使用SHRIMPⅡ做实验的外国专家,就在中心挂牌后第一年里,便有7个国家的学者前来进行实验,而至今已有美国、加拿大、澳大利亚、法国、德国、英国、意大利、韩国、古巴、巴西以及我国台湾、香港地区的数百名科学家先后来“中心”进行研究工作,成功建立起了为国内外地学界共享的服务平台。在这个具有国际视野的、体现了行业最先进水平的服务平台建立的过程中,汇聚掌握了国内外研究者最新的思想动态,从而促进实验室科研技术水平和仪器使用效率得以迅速提高并达到国际先进水平,而更为重要的是,通过这个平台,大大推进了中国在相关领域的人才国际化发展战略,加速了我国地球科学的发展速度,同时还更加密切了国际间的交流。“中心”成立10年来,依靠在SHRIMPⅡ上取得的数据,中国学者在国际期刊发表的论文数大幅增加,不仅支撑了众多国家级重大科研项目,还对全国地球科学的发展起到了推动作用。
——“中心”在成立之初,便制定了技术和岗位责任制,以及样品管理仪器操作规程等一系列措施。同时,“中心”要求全体员工不但要掌握高精的技术熟悉核心仪器和辅助设备,而且还要学会仪器保养、处理修复仪器问题,以最优质的服务,确保仪器安全运行和工作效率达到最大化。10年来,“中心”通过自己培养出的一批非常优秀且有责任心的技术人员,很好地保证了核心仪器的高效运行。与此相对照的是,在日本也有一台高分辨离子探针质谱,但每次坏了都得花很多钱请厂家过去修,而在北京,“中心”的技术人员自己就完全可以做好维护工作。对此,“中心”主任刘敦一非常自豪:“为什么离子探针中心效率高,就是因为有优秀的技术人才。我们这里的技术专家,拿10个教授也不换。”
成立10年来的成功探索,让人们看到,“中心”不愧是国家科技基础条件平台面向全社会高效共享的典型示范。而通过“中心”取得的成绩,人们更加清晰地认识到:在当前我国科研投入较少,科研机构条块分割的情况下,以共建共享方式实现科技基础条件资源的共享,是增强科研装备水平、提高科研资源的使用效率、促进科研机构和科研人员交流与协调的有效途径。
科研服务、地学研究、技术发展相得益彰
“中心”成立后,按照刘敦一的设想:“不仅要有自己的大戏院,还要有自己的戏班子”。因为“中心”如果单纯搞科研服务,可能就会有很大的局限,而如果也有自己的科研团队,能够在地学研究和大型仪器技术发展上有自己的一番作为,那么反过来就会促进科研服务工作的更好开展。
按照这一思路,“中心”较好地处理了测试服务与科研、技术研究与地学研究的关系,厘清了其中“相互联系、相互促进、相互制约”的作用。“中心”的研究人员、技术专家10年如一日,在高强度地接待、辅导实验的同时,也结交了大量的国内外同行,这其中有的是世界级大牌教授,从他们那里了解了最前沿的学术进展和研究动向,并找到了合作伙伴,从而为自己的地学研究和技术创新提供了极好的发展机遇。
可以说,成立10年来,“中心”一方面作为一个开放的大型仪器共享平台取得了“国际声誉”,而另一方面,“中心”在地学研究和测试技术发展上取得的成绩也同样“出彩”:
——“中心”与美国和澳大利亚合作,测定并发现了世界上第一颗老于43亿年又具有37亿年变质增生壳的最老锆石,这一成果对地球早期历史研究作出了突破性贡献。应用SHRIMP精确定年,测出了我国大别山超高压岩石变质演化的3个阶段并获得准确的时间,同时计算出超高压岩石由深部返回地表的折返速率,这是一项突破性的进展。在前寒武纪研究方面,由SHRIMP测定结果敲定前寒武纪孔兹岩系的年龄,这是构造演化研究中的一个重大进展。在扬子板块上的许多地点发现了老于33亿年的残留锆石,这是过去地质学家从未想到的, 进一步完善了我国鞍山地区太古宙演化研究。
——“中心”主任刘敦一研究员在和美国华盛顿大学合作的阿波罗月岩和月球陨石年代学研究中,用锆石SHRIMP定年法测定了月岩和月球陨石样品年龄的结果,重新确定了月球雨海纪的年龄应为39.2亿年,而不是此前的38.5亿年。在这一研究中,除已完成的阿波罗12、14和月球陨石SaU169样品中锆石定年外,还对样品中的陨磷钙钠石和磷灰石进行了U-PbSHRIMP定年,共获得近100个锆石、37个陨磷钙钠石和22个磷灰石SHRIMP定年结果。有关人士称,这是月球年代学研究史上绝无仅有的,在技术上解决了一系列问题,对陨磷灰石的SHRIMP定年在国际上也是首次。刘敦一研究员重新厘定月球雨海纪时代的研究成果,为月球早期历史及演化提供了高精度年代学证据,曾名列中国地质科学院2010十大科技进展之首,是中国学者对月球地质研究作出的重要贡献,也为我国探月工程未来采集月岩样品的年代学研究积累了宝贵经验。
——“中心”引进的二次离子探针质谱,以往由于采用该仪器进行科学研究的复杂性和实验的特殊性,科学家必须亲自参与实验的全过程,直接操作控制仪器,这样许多科学家就不得不花费大量的时间,从千里甚至万里之外来实验现场进行科学实验。2005年12月底,一项历时3年,由“中心”主任刘敦一领军的国家科技基础条件平台建设项目“大型科学装备远程共享示范研究——离子探针系统”通过鉴定。这项技术以Internet为依托,具有通过远程操作离子探针实验软件实时控制仪器,观测样品图像实时变化,在线获取实验数据等远程实验功能。
“离子探针远程共享系统”被国际同行称为“中国人开创的一项新技术”。这项世界首创的研究成果及中心在其基础上延伸开发的“用于微束分析的大型科学仪器远程共享公共服务系统”打破了科研仪器使用的时空界限,基本上解决了我国科学研究中微束类科学仪器(其投资和固定资产占我国大型仪器的25%)远程控制和远程监测的技术问题,保持了我国在大型科学仪器远程控制远程监测技术的国际领先地位,不仅为国家类似装备的应用提供了示范,为我国大型科学仪器设备资源的数字化,虚拟化与网络化提供了新的解决思路,而且其未来的发展,对我国乃至世界科研方式的变革将产生不可估量的作用。目前,以远程控制系统为技术基础建立起的“中心”网络虚拟实验室,已实现了与澳大利亚珀斯科廷大学(Curtin University)的SHRIMPII双向互控,与巴西圣保罗大学、加拿大安大略省地质调查局(OGS)、宜昌地质矿产研究所、南京大学和意大利米兰Bicocca大学之间的单向控制。 
——“中心”在“十一五”期间,联合中国计量科学研究院,中科院大连化物所,复旦大学等单位圆满地完成了国家科技支撑计划课题“二次离子质谱仪器核心技术及关键部件研究与开发”(刘敦一为课题第一负责人)。完成了大型二次离子质谱仪器关键部件的研制,包括离子源、精密三维样品台和自动换样系统,并构建了一套仪器研发平台,包括真空系统和各种供电和测量、控制电路等。具体实施成果包括:发表科技论文29篇(其中向国外发表5篇),申请国内发明专利24项,国际发明专利6项,其中已有2项国内发明专利和1项国外发明专利已获得授权;形成有关二次离子质谱(SIMS)及飞行时间(TOF)串联质谱的新技术、新产品、新装置和计算机软件等19项,有5项成果已在相关领域成功应用;培养、凝聚和造就了一支过硬的理论和技术人才队伍;建立了11个高端质谱仪器及关键部件试验平台和5个研发基地,为飞行时间质谱、串联质谱、高分辨ICP、辉光放电、高分辨气体同位素等高端质谱仪器自主研制的跨越式发展奠定了基础。
——2009年,由“中心”发起组建了“中国国际前寒武研究中心(IPRCC)”,“中心”主任刘敦一担任这一研究机构的主任。自成立以来,“前寒武中心”就受到了广泛地支持,吸引了国际前寒武研究领域的一流学者,开展了频繁的国际学术交流活动,取得了国际同行的热烈反响和显著的科学效益,形成了以“中心”为核心的国际性研究平台。“前寒武中心”的成立,进一步增强了“中心”作为国际研究平台的地位。
——10年来,“中心”成员在SHRIMP技术方法方面,也取得了丰硕的科研成果:2001年10月,建立SHRIMP锆石微区U-Th-Pb定年方法,同时建立SHRIMP锆石原位微区REE分析方法;2003-2004年又先后完成独居石和斜锆石的微区定年技术方法研究;2005年6月,进行了蛋白石和磷灰石定年方法的研究;2009年,建立了月球陨石和Apollo月岩锆石微区原位定年方法;2010年,建立了月球陨石和Apollo月岩磷灰石和陨磷钙钠石微区原位定年方法;2011年,建立了牙形石氧同位素微区原位分析方法;2011年,建立了金属矿物硫同位素微区原位分析方法。
10年来,“中心”在刘敦一教授的大力推动下,在用人和人才培养方面走出了一条“国际化”的道路,刘敦一教授希望地学人才要走出国门,做全球的工作。而这,正是目前我国很多实验室普遍存在的薄弱环节。
在2005年和2006年,“中心”派出四人工作组赴蒙古国进行了野外工作,这是一次质的飞跃,实现了“中心”研究人员和客座研究员“把研究工作做到国外去”的目标。2007年,“中心”数名成员分别赴格林兰和南非进行了两次野外地质考察及采样工作。如今,通过10年的发展,“把研究工作做到国外去”在“中心”已成为常规。
目前,世界上能把高分辨离子探针质谱运行良好的实验室并不多,而中国北京离子探针中心被公认为是运行得最成功的。很多专家评价,“中心”不仅加速了中国地学的发展,还帮助了国际地学的发展。为了表彰刘敦一对于国际地学发展的杰出贡献,2008年,美国《科学》杂志为他的70岁生日还曾专门献上了两期纪念专刊。在专刊里称赞“在不到5年的时间里,北京离子探针中心就跻身于世界最著名地质年代学实验室的行列……北京离子探针中心已成为国家大型科学仪器中心资源共享的典范,为中国科学仪器设备今后应该如何运行树立了榜样。”
突破障碍 再创辉煌
“共享的知识才能产生力量。”对于管理学大师彼得·德鲁克的这句名言,10年来很多在“中心”工作过的人们都深有体会,刘敦一认为,“高效、开放、共享,”这是今后“中心”要必须秉持的“核心精神”。
共享的知识不但能产生力量,而且还可以为国家节约大量采购仪器的费用。据有关单位统计,我国的大科学仪器使用率不到25%,而发达国家为170%-250%。我国的科学仪器的数量已超过欧盟15国的总量,且87%靠进口,耗资巨大。但在很多地方,许多几十万、上百万元的进口科学仪器,使用几次就闲置在那里,由于共享不足,导致重复建设现象十分严重。因此,对于一些大型科研基础设施和昂贵的仪器设备存在的管理水平低、共享程度低、使用效率低的“三低”现象,该如何破解?如何把有限的公共财政资金用在刀刃上?在中央明确提出建设节约型社会的当下,这些问题确实值得政府决策部门深思。
“中心”10年的成功探索向人们昭示:一方面,坚定不移地执行“创新、开放、高效”的运行机制是实验室发展、提高,走向国际的惟一途径,是充分发挥仪器设备的技术优势,形成对科学研究有力支持的技术体系的惟一途径,对我国科学技术的发展有着极其重要的作用;另一方面,共建大型科学仪器中心方针的实施,对我国快速改善科研条件,形成资源共享,克服现有体制的弊端,创造一个开放的、高效的、平等竞争又精诚合作的科研环境,有着深远的影响。
“中心”的10年发展之路还表明:机制创新是科技创新的推动力量。观念创新是科技创新的思想基础。体制创新是带动科技事业发展的根本。
改革开放30多年来,我国的科技工作已经取得了巨大成就,但总体上我国的科技发展水平与发达国家相比还有一定的差距。面对现代科学技术迅猛发展的新形势,我们要进一步解放思想,破除一切不利于科技发展的陈旧观念。要敢于跨越而不要只是追赶,要大胆创新而不要一味跟进,要加强协作而不要只靠单干,要注重年轻的优秀人才为我所用而不要片面追求为我所有,要大量起用年轻的优秀人才而不要论资排辈,要与时俱进而不要小富即安,要重视科技成果的转化而不要单纯追求论文评奖,还要打破科研单位生存第一发展第二的落后观念。
“中心”的发展让人们看到,要想建立有世界影响的研究所,没有放眼世界的眼光不行。当前科研与学术的竞争首先是人才的竞争,中国的研究所要想在世界科技竞争中立足,就要有从世界各国吸引一流人才的胸怀。树立对人才“不求所在,但求所用”的观念,不断完善人才引进、培养、使用的有效机制,制定和实施对各类人才具有强大吸引力的政策,用良好的机制、政策、环境吸引人才,集聚人才,为科技创新和科研单位的发展奠定坚实的人才基础。
回首“中心”10年的发展历程,刘敦一教授既有欣慰又有感慨。最让他欣慰的是,“中心”现在已形成了一个敬业、负责的优秀团队,对于年轻科技人员的培养,刘敦一表示,“中心”将把握住当前的有利时机,积极创造好的条件,让年轻的科研人员在与国外同行的交流、合作中快速成长。而让刘教授感慨的是,如果有更好的机制作为保障,“中心”这10年,可以做得更好。
对于“中心”未来的工作,刘敦一教授的设想是:坚持开放共享的运行机制,充分发挥一个国际性的,高水平的,集研究、技术、学术交流和人才培养功能为一体的科技支撑平台的巨大作用,做好技术服务;继续发展以SHRIMP为代表的大型科学仪器远程共享网络,尽快在西班牙和巴西建立服务器系统,在美国华盛顿大学(圣路易斯)建立远程工作站;积极投入大型科学仪器自主研发工作,在“中心”逐步建立起一个具有优秀技术专家和研发设施的科学仪器自主创新基地;积极开展微区、原位同位素地质年代学和地球化学新技术、新方法的研究与发展工作;依托SHRIMP的技术优势,继续对地球科学和宇宙科学前沿课题开展研究,争取获得更多的成果。
已过了古稀之年的刘敦一教授为中国的实验室建设做出了一个“前无古人”的榜样,拥有一个开放、乐观心态的他,愿意把“中心”这10年发展中取得的经验毫无保留地分享给同行,他希望中国的实验室、中国的大型仪器设备,都能够做到“开放、共享、高效”,非常希望“中心”历经10年探索出来的这样一种模式能够“后有来者。”但在采访中,我们能感觉到他的一些遗憾——中心的很多“创新”做法缺乏机制与体制的保障,很多事情,是因为刘教授在做,所以能做成,没有机制与体制保证别人也能做出同样的事。因此,“中心”这颗“星星之火”,历经10年,尽管取得了众所瞩目的突出成绩,却没有取得“燎原之势”,没能够尽快地把经验发扬光大、培育出更多的“北京离子探针中心”。“中心”第一个10年的快速发展,离不开刘敦一教授作为知名学者而具有的很高的社会影响力,但刘教授却希望,在今后的发展中,相关部门对“中心”的支持能形成一些“固定的政策”,尽可能的减少他自己的“个人因素”,因为这样才更有利于今后“中心”工作的长远发展。
2011年12月18日,是“中心”成立10周年的“好日子”,而就在这前不久,有两件事让这里的科研人员们有种“锦上添花”的感觉:“中心”被科技部和财政部正式认定为首批国家级科技基础条件平台之一;由“中心”主任刘敦一牵头,联合另外三家研究单位共同申请的国家重大科学仪器设备开发专项项目——“同位素地质学专用TOF-SIMS科学仪器”通过了科技部组织的专家评审并正式启动,未来,这套仪器研发成功后,在世界地学界将会具有“里程碑”式的意义。
这样两件喜事,其对“中心”的重大意义,也许可以用“承前启后、继往开来”形容:既体现出了第一个10年的发展成绩,又为下一个10年乃至更长时间段的快速发展,创造出了优越的环境与条件。
“在‘中心’的第一个10年里,是用国外的先进仪器,搭建起了一个服务的平台,同时提升了我们的水平,取得了一些成果,那么在‘中心’的第二个10年里,就可以进入自己造仪器的阶段了,我希望我们的一些仪器研发能够走在世界的前头,用这样的仪器在行业中能够做出一手的研究成果,这样我们国家在地学相关领域的研究水平就会取得更大的提升。”对于“中心”下一步的发展方向,刘敦一教授如是说。
 
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