利用納米限域的單鐵催化劑實(shí)現(xiàn)天然氣直接制乙烯
隨著世界范圍內(nèi)富含甲烷的頁(yè)巖氣、天然氣水合物以及生物沼氣等的發(fā)現(xiàn)與開(kāi)采，以?xún)?chǔ)量相對(duì)豐富和價(jià)格低廉的天然氣替代石油生產(chǎn)基礎(chǔ)化學(xué)品，成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究和發(fā)展的重點(diǎn)。但甲烷分子的選擇活化和定向轉(zhuǎn)化是一個(gè)世界性難題，被譽(yù)為化學(xué)領(lǐng)域的“圣杯”。
2014年，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員包信和團(tuán)隊(duì)基于“納米限域催化”的新概念，創(chuàng)造性地構(gòu)建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了甲烷在無(wú)氧條件下的選擇活化，一步高效生產(chǎn)重要基礎(chǔ)化工原料乙烯以及芳烴和氫氣等高值化學(xué)品。在1090℃條件下，甲烷單程轉(zhuǎn)化率達(dá)48%，乙烯和芳烴選擇性大于99%，反應(yīng)過(guò)程本身實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的零排放。這一成果從理論上實(shí)現(xiàn)了甲烷分子碳?xì)滏I的高效選擇活化，在應(yīng)用上徹底摒棄了二氧化碳高排放和高耗水的合成氣制備過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了天然氣的無(wú)氧直接轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品。
相關(guān)研究論文2014 年5月9日在《科學(xué)》雜志發(fā)表后，《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》迅速組織了專(zhuān)題評(píng)述，國(guó)內(nèi)外14家科學(xué)雜志和新聞媒體以“改變世界的技術(shù)”為題進(jìn)行了報(bào)道。■
開(kāi)創(chuàng)煤制烯烴新捷徑
烯烴是與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的重要化學(xué)品。我國(guó)是烯烴消費(fèi)大國(guó)，其傳統(tǒng)的生產(chǎn)原料主要依賴(lài)石油，這不僅使烯烴的生產(chǎn)成本居高不下，同時(shí)也嚴(yán)重危及到了我國(guó)的能源安全。
2016年，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員包信和及潘秀蓮研究團(tuán)隊(duì)從納米催化的基本原理入手，開(kāi)發(fā)出了一種過(guò)渡金屬氧化物和有序孔道分子篩復(fù)合催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了煤基合成氣一步法高效生產(chǎn)烯烴，C2到C4低碳烯烴單程選擇性突破了費(fèi)托過(guò)程的極限，一躍超過(guò)80%。同時(shí)，反應(yīng)過(guò)程完全避免了水分子的參與。該成果在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)分別控制反應(yīng)活性和產(chǎn)物選擇性的兩類(lèi)催化活性中心的有效分離，使在氧化物催化劑表面生成的碳?xì)渲虚g體在分子篩的納米孔道中發(fā)生受限偶聯(lián)反應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)產(chǎn)物隨分子篩結(jié)構(gòu)的可控調(diào)變。
相關(guān)研究論文2016年3月4日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。《科學(xué)》同期以“令人驚奇的選擇性”為題刊發(fā)了專(zhuān)家評(píng)論和展望，稱(chēng)贊該研究在原理上的突破將帶來(lái)在工業(yè)上的巨大競(jìng)爭(zhēng)力。該研究被產(chǎn)業(yè)界同行譽(yù)為“煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域里程碑式的重大突破”。■
煤制乙醇開(kāi)創(chuàng)國(guó)際“煤代糧”先河
乙醇是世界公認(rèn)的優(yōu)良汽油添加劑，對(duì)節(jié)能減排意義重大。國(guó)家能源優(yōu)化利用、節(jié)能降耗和保障糧食安全的需要，讓中國(guó)工程院院士劉中民瞄準(zhǔn)煤制乙醇這一極富挑戰(zhàn)且應(yīng)用前景廣闊的技術(shù)。
2012年，劉中民帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)展“合成氣制乙醇整套工藝技術(shù)”項(xiàng)目研發(fā)工作。2014年啟動(dòng)了“10萬(wàn)噸/年合成氣制乙醇工業(yè)示范”項(xiàng)目。2017年3月，采用中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)共同研發(fā)的、具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的煤基乙醇工業(yè)化項(xiàng)目——陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)“10萬(wàn)噸/年合成氣制乙醇工業(yè)示范”項(xiàng)目打通全流程，生產(chǎn)出合格的無(wú)水乙醇，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。2017年12月，采用該技術(shù)的“50萬(wàn)噸/年合成氣制乙醇（DMTE）裝置技術(shù)許可合同”在陜西省人民政府簽訂。
煤基乙醇工業(yè)化示范項(xiàng)目成功投產(chǎn)，在世界范圍內(nèi)首開(kāi)先河，占據(jù)了技術(shù)制高點(diǎn)，奠定了我國(guó)煤制乙醇技術(shù)及工業(yè)化的國(guó)際領(lǐng)先地位。這一新技術(shù)的應(yīng)用，將有效彌補(bǔ)石油資源不足，緩解我國(guó)燃料乙醇對(duì)糧食的依賴(lài)，為我國(guó)的能源安全和糧食安全提供有力保障，對(duì)我國(guó)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革以及發(fā)展新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)具有重大戰(zhàn)略意義。■
培育出超高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)“巨型稻”
2017年10月16日，由中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員夏新界領(lǐng)銜的水稻育種團(tuán)隊(duì)宣布，歷經(jīng)十余年研究，團(tuán)隊(duì)培育出超高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)“巨型稻”：株高可達(dá)2.2米、畝產(chǎn)可達(dá)800千克以上，具有高產(chǎn)、抗倒伏、抗病蟲(chóng)害、耐淹澇等特點(diǎn)。經(jīng)原農(nóng)業(yè)部植物新品種測(cè)試中心DNA指紋檢測(cè)，以及華智水稻生物技術(shù)有限公司56k水稻SNP基因芯片指紋圖譜檢測(cè)，確認(rèn)“巨型稻”是一種水稻新種質(zhì)材料。
“巨型稻”是在現(xiàn)有優(yōu)異種源的基礎(chǔ)上，運(yùn)用突變體誘導(dǎo)、野生稻遠(yuǎn)緣雜交、分子標(biāo)記定向選育等一系列育種新技術(shù)，獲得的擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水稻新種質(zhì)材料，其具有突出的高產(chǎn)、強(qiáng)抗等顯著優(yōu)勢(shì)。“巨型稻”莖稈粗壯，直徑可達(dá)18.5毫米，葉片蠟質(zhì)和角質(zhì)層厚，具有抗倒伏、抗病蟲(chóng)害、耐淹澇等特點(diǎn)。這種“巨型稻”光合效率高，單位面積生物量比現(xiàn)有水稻品種高出50%，平均有效分蘗40個(gè)，單穗最高實(shí)粒數(shù)達(dá)500多粒，單季產(chǎn)量可超過(guò)800千克/畝。
中國(guó)工程院院士、著名水稻專(zhuān)家袁隆平曾表示：“這是一種非常好的新種質(zhì)材料，具有很高的生物量，未來(lái)還需要努力提高收獲指數(shù)。”■
國(guó)內(nèi)首款云端人工智能芯片發(fā)布
智能芯片是前沿科技和社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，也是人工智能技術(shù)發(fā)展過(guò)程中不可逾越的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。可以說(shuō)，不論有怎樣領(lǐng)先的算法，要想最終應(yīng)用，都必須通過(guò)芯片實(shí)現(xiàn)。
2018年5月3日，中國(guó)科學(xué)院旗下的寒武紀(jì)科技公司發(fā)布我國(guó)自主研發(fā)的Cambricon MLU100云端智能芯片和板卡產(chǎn)品、寒武紀(jì)1M終端智能處理器IP產(chǎn)品。這款國(guó)內(nèi)首個(gè)云端人工智能芯片，理論峰值速度達(dá)每秒128萬(wàn)億次定點(diǎn)運(yùn)算，達(dá)到世界先進(jìn)水平。
MLU100云端智能芯片采用寒武紀(jì)最新的MLUv01架構(gòu)和TSMC 16nm的先進(jìn)工藝，可工作在平衡模式（1GHz主頻）和高性能模式（1.3GHz主頻）下，平衡模式下的等效理論峰值速度達(dá)每秒128萬(wàn)億次定點(diǎn)運(yùn)算，高性能模式下的等效理論峰值速度更可達(dá)每秒166.4萬(wàn)億次定點(diǎn)運(yùn)算，但典型板級(jí)功耗僅為80瓦，峰值功耗不超過(guò)110瓦。
與寒武紀(jì)系列終端處理器一樣，MLU100云端芯片仍然延續(xù)了寒武紀(jì)產(chǎn)品一貫出色的通用性，可支持千萬(wàn)量級(jí)用戶(hù)的大規(guī)模商用檢驗(yàn)，搭載各類(lèi)深度學(xué)習(xí)和經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法，充分滿(mǎn)足視覺(jué)、語(yǔ)音、自然語(yǔ)言處理、經(jīng)典數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域復(fù)雜場(chǎng)景下（如大數(shù)據(jù)量、多任務(wù)、多模態(tài)、低延時(shí)、高通量）的云端智能處理需求。■
研制出用于腫瘤治療的智能型DNA納米機(jī)器人
利用納米醫(yī)學(xué)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)重大疾病的精準(zhǔn)診斷和治療是科學(xué)家們追逐的一個(gè)偉大夢(mèng)想。2018年，國(guó)家納米科學(xué)中心聶廣軍、丁寶全和趙宇亮研究組與美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)顏灝研究組等合作，在活體內(nèi)可定點(diǎn)輸運(yùn)藥物的納米機(jī)器人研究方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了納米機(jī)器人在活體（小鼠和豬）血管內(nèi)穩(wěn)定工作并高效完成定點(diǎn)藥物輸運(yùn)功能。
研究人員基于DNA納米技術(shù)構(gòu)建了自動(dòng)化DNA機(jī)器人，在機(jī)器人內(nèi)裝載了凝血蛋白酶——凝血酶。該納米機(jī)器人通過(guò)特異性DNA適配體功能化，可以與特異表達(dá)在腫瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞上的核仁素結(jié)合，精確靶向定位腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞；并作為響應(yīng)性的分子開(kāi)關(guān)，打開(kāi)DNA納米機(jī)器人，在腫瘤位點(diǎn)釋放凝血酶，激活其凝血功能，誘導(dǎo)腫瘤血管栓塞和腫瘤組織壞死。這種創(chuàng)新方法的治療效果在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及原發(fā)肺癌等多種腫瘤中都得到了驗(yàn)證。同時(shí)，小鼠和Bama小型豬實(shí)驗(yàn)顯示，這種納米機(jī)器人具有良好的安全性和免疫惰性。
上述研究表明，DNA納米機(jī)器人代表了未來(lái)人類(lèi)精準(zhǔn)藥物設(shè)計(jì)的全新模式，為惡性腫瘤等疾病的治療提供了全新的智能化策略。■
水稻分子設(shè)計(jì)育種取得新進(jìn)展
2018年9月18日，在國(guó)審稻新品種“中科804”現(xiàn)場(chǎng)會(huì)上，“中科804”從3000畝示范片中脫穎而出，在產(chǎn)量、抗稻瘟病、抗倒伏等農(nóng)藝性狀方面均表現(xiàn)突出。
針對(duì)東北地區(qū)最主要的優(yōu)質(zhì)米品種稻花香在生產(chǎn)中所遇到的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)與中國(guó)水稻研究所錢(qián)前研究組、中國(guó)科學(xué)院北方粳稻分子育種聯(lián)合中心張國(guó)民研究組聯(lián)合，以?xún)?yōu)異稻米品質(zhì)基因、抗倒伏和抗稻瘟病等基因?yàn)橹骶�(xiàn)，結(jié)合高產(chǎn)及理想株型基因等，運(yùn)用分子模塊設(shè)計(jì)育種的理念和技術(shù)，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，育成具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗稻瘟病和抗倒伏的“中科804”以及“中科發(fā)”系列粳稻新品種。
作為成功利用“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機(jī)理及品種設(shè)計(jì)”理論基礎(chǔ)與品種設(shè)計(jì)理念育成的標(biāo)志性品種，“中科804”和“中科發(fā)”系列水稻新品種實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗水稻的高效培育。“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機(jī)理及品種設(shè)計(jì)”研究成果于2017年獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。“中科804”作為從科學(xué)理論到生產(chǎn)實(shí)踐的典型范例，將給予品種設(shè)計(jì)育種研究領(lǐng)域新的啟迪，極大推動(dòng)作物傳統(tǒng)育種向高效、精準(zhǔn)、定向的分子設(shè)計(jì)育種轉(zhuǎn)變。■
異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化獲得新突破
中國(guó)科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院／遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)首次提出異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化的新策略，旨在最終培育出新型多倍體水稻作物，從而大幅提升糧食產(chǎn)量并增加作物環(huán)境變化適應(yīng)性。相關(guān)研究成果2021年2月4日發(fā)表于《細(xì)胞》雜志。
李家洋提出的異源四倍體野生稻快速?gòu)念^馴化策略“藍(lán)圖”的第一階段是在全球范圍內(nèi)收集并篩選綜合性狀最佳的異源四倍體野生稻底盤(pán)種質(zhì)資源。第二階段，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)近4年突破了三大技術(shù)瓶頸，建立野生稻快速?gòu)念^馴化技術(shù)體系，包括高質(zhì)量參考基因組的繪制和基因功能注釋、高效遺傳轉(zhuǎn)化體系和高效基因組編輯技術(shù)體系。第三階段為品種分子設(shè)計(jì)與快速馴化，包括重要農(nóng)藝性狀基因注釋及基于基因組信息的品種分子設(shè)計(jì)、重要農(nóng)藝性狀基因的功能驗(yàn)證、多基因編輯和聚合以及田間綜合性狀評(píng)估等。
研究人員還進(jìn)一步驗(yàn)證了這一設(shè)想的可行性，他們注釋了栽培稻中10個(gè)馴化基因及113個(gè)重要農(nóng)藝性狀基因在異源四倍體野生稻中的同源基因，系統(tǒng)分析其同源性，并進(jìn)一步對(duì)控制落粒性、芒長(zhǎng)、株高、粒長(zhǎng)、莖稈粗度及生育期的同源基因進(jìn)行了基因編輯，成功創(chuàng)制了落粒性降低、芒長(zhǎng)變短、株高降低、粒長(zhǎng)變長(zhǎng)、莖稈變粗、抽穗時(shí)間不同程度縮短的各種基因編輯材料。■