三分钟读懂2025年度国家自然科学一等奖三项原创成果的重大突破|单原子|原子核|新型高温超导体|氢键|自然科学|量子

文／科普评论员

2026年7月8日，2025年度国家科学技术奖揭晓——国家自然科学奖一等奖罕见地同时颁给三个项目：南昌大学江风益院士团队的"V缺陷三维PN结及应用"、中科院大连化物所张涛院士团队的"单原子催化"、北京大学王恩哥院士与江颖教授团队的"水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究"。国家自然科学一等奖是我国基础科学研究最高奖，历史上多次空缺，此次三项齐发，近四十年来少见。下面用大白话讲清：它们到底是干啥的？为啥牛？跟你我有啥关系？

一、"坏缺陷"变成"好帮手"——V缺陷三维PN结与纯芯片LED（南昌大学）

通俗说：你家LED灯通常是蓝光芯片激发黄色荧光粉混出白光，有损耗、会老化。氮化镓LED里一直有个被认为"有害"的结构叫V型缺陷（V-defect），国际学界拼命想消灭它。江风益团队反其道而行——发现适当利用这种V缺陷，能把传统二维平面PN结拓展成三维PN结，给空穴（正电荷）开一条"匝道"绕过势垒，发光效率大幅提升。

核心突破：打破"缺陷越少越好"的教条，证明V缺陷可"变废为宝"，提出V缺陷三维PN结理论，大幅提升黄光、红光及蓝绿光LED效率。

影响和你能看到的改变：

- 开辟无荧光粉纯芯片发光路线（不同颜色芯片直接混色白光），已批量用于道路、隧道、桥梁照明；

- 实现硅基氮化镓LED与硅电路晶圆级集成，造出微型显示屏及首款黄光AR眼镜；

- 南昌大学以非985高校身份作为唯一完成单位首获该奖，具标志性意义。

二、催化剂拆到"最后一个原子"——单原子催化（中科院大连化物所）

通俗说：现代工业约80%的化工过程靠催化——合成氨制化肥、炼油、制药、汽车尾气净化都用得上。传统催化剂是纳米金属颗粒，大部分原子"埋在内部"不参与反应，白白浪费贵金属（铂、钯等）。张涛团队2009年制备出国际首例负载型单原子铂催化剂，2011年联合清华李隽等正式提出"单原子催化"（SAC）概念——把金属分散到单个原子级别"钉"在载体上，理论上原子利用率接近100%，贵金属用量可降70%–90%，活性反而更高。

打个比方：以前用"金砂团"催化，大部分金原子派不上用场；现在每粒金原子都被单独固定、全部参与反应——既省钱又高效，还能在原子尺度看清催化"黑匣子"里发生了什么。

核心突破：中国科学家原创并被国际广泛认可的催化新概念，建立单原子催化完整理论框架，实现从概念创立到工业应用的跨越。

影响和你能看到的改变：

- 已在氯乙烯生产、烯烃氢甲酰化、制药、精细化工实现工业应用；

- 未来有望降低汽车尾气净化器、绿氢电解水（析氢/析氧）、CO₂转化制甲醇中的贵金属成本，助力"双碳"。

三、看穿"水的量子心"——水的氢键强度及全量子效应研究（北京大学）

通俗说：水占人体70%、地球表面71%，但水中单根氢键究竟多强？质子（氢原子核）的量子隧穿和零点能对氢键影响多大？百年来物理学用"玻恩–奥本海默近似"——把原子核当经典粒子只量子化电子——漏掉了轻元素（特别是氢）显著的核量子效应。北大团队历时二十余年跳出这一近似，同时考虑电子与原子核的全量子描述，并自主研发可识别氢原子的高阶静电力扫描探针显微镜，首次"看见"表面水分子中的氢原子、精确测定单根氢键强度，定量给出核量子效应对氢键的贡献（可达约14%），发现质子四质子协同隧穿新机制，利用全量子效应调控出打破传统"冰规则"的二维冰新物态。

核心突破：攻克水/冰微观结构世界性难题，建立超越玻恩–奥本海默近似的全量子凝聚态物理新范式，自研高分辨扫描探针显微镜打破国外垄断。

影响和你能看到的改变：

- 为水解制氢、海水淡化膜设计、生物大分子水合作用、大气成核等提供微观理论基础；

- 全量子范式可推广至锂、硼等轻元素体系，推动量子材料与新能源基础研究。

三项成果一句话速览

- V缺陷三维PN结（南昌大学）：半导体里"坏缺陷"被巧妙利用成三维通道，LED光效跃升，无荧光粉纯芯片照明和黄光AR眼镜成真。

- 单原子催化（中科院大连化物所）：催化剂拆到单个原子尺度，贵金属用量大降、效率更高，已在化工领域工业应用。

- 水全量子效应（北京大学）：首次精确测出水中氢键强度及核量子贡献，重新理解"水为什么是水"，开辟全量子物理新研究范式。

这三项告诉我们：中国基础研究也开始做出被国际同行写进教科书的原创贡献——从发光器件底层理论、催化概念革新，到重新认识最常见的"水"。（本文由AI辅助完成，图片源于网络并编辑）

主要参考资料

1. 中华人民共和国科学技术部．《2025年度国家自然科学奖获奖项目目录》．2026-07-08

2. 江西省教育厅／央广网．《南昌大学江风益院士团队"V缺陷三维PN结及应用"荣获国家自然科学奖一等奖》．2026-07-08