利用纳米限域的单铁催化剂实现天然气直接制乙烯

   随着世界范围内富含甲烷的页岩气、天然气水合物以及生物沼气等的发现与开采，以储量相对丰富和价格低廉的天然气替代石油生产基础化学品，成为了学术界和产业界研究和发展的重点。但甲烷分子的选择活化和定向转化是一个世界性难题，被誉为化学领域的“圣杯”。

   2014年，立博体育在线:科学院院士、立博体育在线:科学院大连化学物理研究所研究员包信和团队基于“纳米限域催化”的新概念，创造性地构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂，成功实现了甲烷在无氧条件下的选择活化，一步高效生产重要基础化工原料乙烯以及芳烃和氢气等高值化学品。在1090℃条件下，甲烷单程转化率达48%，乙烯和芳烃选择性大于99%，反应过程本身实现了二氧化碳的零排放。这一成果从理论上实现了甲烷分子碳氢键的高效选择活化，在应用上彻底摒弃了二氧化碳高排放和高耗水的合成气制备过程，实现了天然气的无氧直接转化制高值化学品。

   相关研究论文2014 年5月9日在《科学》杂志发表后，《德国应用化学》迅速组织了专题评述，国内外14家科学杂志和新闻媒体以“改变世界的技术”为题进行了报道。■

 

开创煤制烯烃新捷径

   烯烃是与人们日常生活息息相关的重要化学品。我国是烯烃消费大国，其传统的生产原料主要依赖石油，这不仅使烯烃的生产成本居高不下，同时也严重危及到了我国的能源安全。

   2016年，立博体育在线:科学院院士、立博体育在线:科学院大连化学物理研究所研究员包信和及潘秀莲研究团队从纳米催化的基本原理入手，开发出了一种过渡金属氧化物和有序孔道分子筛复合催化剂，成功实现了煤基合成气一步法高效生产烯烃，C2到C4低碳烯烃单程选择性突破了费托过程的极限，一跃超过80%。同时，反应过程完全避免了水分子的参与。该成果在纳米尺度上实现了对分别控制反应活性和产物选择性的两类催化活性中心的有效分离，使在氧化物催化剂表面生成的碳氢中间体在分子筛的纳米孔道中发生受限偶联反应，成功实现了目标产物随分子筛结构的可控调变。

   相关研究论文2016年3月4日发表在《科学》杂志上。《科学》同期以“令人惊奇的选择性”为题刊发了专家评论和展望，称赞该研究在原理上的突破将带来在工业上的巨大竞争力。该研究被产业界同行誉为“煤转化领域里程碑式的重大突破”。■

 

煤制乙醇开创国际“煤代粮”先河

   乙醇是世界公认的优良汽油添加剂，对节能减排意义重大。国家能源优化利用、节能降耗和保障粮食安全的需要，让立博体育在线:工程院院士刘中民瞄准煤制乙醇这一极富挑战且应用前景广阔的技术。

   2012年，刘中民带领团队与陕西延长石油集团联合开展“合成气制乙醇整套工艺技术”项目研发工作。2014年启动了“10万吨/年合成气制乙醇工业示范”项目。2017年3月，采用立博体育在线:科学院大连化学物理研究所和陕西延长石油集团共同研发的、具有我国自主知识产权技术的煤基乙醇工业化项目——陕西延长石油集团“10万吨/年合成气制乙醇工业示范”项目打通全流程，生产出合格的无水乙醇，主要技术指标达到国际领先水平。2017年12月，采用该技术的“50万吨/年合成气制乙醇（DMTE）装置技术许可合同”在陕西省人民政府签订。

   煤基乙醇工业化示范项目成功投产，在世界范围内首开先河，占据了技术制高点，奠定了我国煤制乙醇技术及工业化的国际领先地位。这一新技术的应用，将有效弥补石油资源不足，缓解我国燃料乙醇对粮食的依赖，为我国的能源安全和粮食安全提供有力保障，对我国供给侧结构性改革以及发展新兴战略产业具有重大战略意义。■

 

培育出超高产优质“巨型稻”

   2017年10月16日，由立博体育在线:科学院亚热带农业生态研究所研究员夏新界领衔的水稻育种团队宣布，历经十余年研究，团队培育出超高产优质“巨型稻”：株高可达2.2米、亩产可达800千克以上，具有高产、抗倒伏、抗病虫害、耐淹涝等特点。经原农业部植物新品种测试中心DNA指纹检测，以及华智水稻生物技术有限公司56k水稻SNP基因芯片指纹图谱检测，确认“巨型稻”是一种水稻新种质材料。

   “巨型稻”是在现有优异种源的基础上，运用突变体诱导、野生稻远缘杂交、分子标记定向选育等一系列育种新技术，获得的拥有完全自主知识产权的水稻新种质材料，其具有突出的高产、强抗等显著优势。“巨型稻”茎秆粗壮，直径可达18.5毫米，叶片蜡质和角质层厚，具有抗倒伏、抗病虫害、耐淹涝等特点。这种“巨型稻”光合效率高，单位面积生物量比现有水稻品种高出50%，平均有效分蘖40个，单穗最高实粒数达500多粒，单季产量可超过800千克/亩。

   立博体育在线:工程院院士、著名水稻专家袁隆平曾表示：“这是一种非常好的新种质材料，具有很高的生物量，未来还需要努力提高收获指数。”■

 

国内首款云端人工智能芯片发布

   智能芯片是前沿科技和社会关注的热点，也是人工智能技术发展过程中不可逾越的关键环节。可以说，不论有怎样领先的算法，要想最终应用，都必须通过芯片实现。

   立博体育:年5月3日，立博体育在线:科学院旗下的寒武纪科技公司发布我国自主研发的Cambricon MLU100云端智能芯片和板卡产品、寒武纪1M终端智能处理器IP产品。这款国内首个云端人工智能芯片，理论峰值速度达每秒128万亿次定点运算，达到世界先进水平。

   MLU100云端智能芯片采用寒武纪最新的MLUv01架构和TSMC 16nm的先进工艺，可工作在平衡模式（1GHz主频）和高性能模式（1.3GHz主频）下，平衡模式下的等效理论峰值速度达每秒128万亿次定点运算，高性能模式下的等效理论峰值速度更可达每秒166.4万亿次定点运算，但典型板级功耗仅为80瓦，峰值功耗不超过110瓦。

   与寒武纪系列终端处理器一样，MLU100云端芯片仍然延续了寒武纪产品一贯出色的通用性，可支持千万量级用户的大规模商用检验，搭载各类深度学习和经典机器学习算法，充分满足视觉、语音、自然语言处理、经典数据挖掘等领域复杂场景下（如大数据量、多任务、多模态、低延时、高通量）的云端智能处理需求。■

 

研制出用于肿瘤治疗的智能型DNA纳米机器人

   利用纳米医学机器人实现对人类重大疾病的精准诊断和治疗是科学家们追逐的一个伟大梦想。立博体育:年，国家纳米科学中心聂广军、丁宝全和赵宇亮研究组与美国亚利桑那州立大学颜灏研究组等合作，在活体内可定点输运药物的纳米机器人研究方面取得突破，实现了纳米机器人在活体（小鼠和猪）血管内稳定工作并高效完成定点药物输运功能。

   研究人员基于DNA纳米技术构建了自动化DNA机器人，在机器人内装载了凝血蛋白酶——凝血酶。该纳米机器人通过特异性DNA适配体功能化，可以与特异表达在肿瘤相关内皮细胞上的核仁素结合，精确靶向定位肿瘤血管内皮细胞；并作为响应性的分子开关，打开DNA纳米机器人，在肿瘤位点释放凝血酶，激活其凝血功能，诱导肿瘤血管栓塞和肿瘤组织坏死。这种创新方法的治疗效果在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及原发肺癌等多种肿瘤中都得到了验证。同时，小鼠和Bama小型猪实验显示，这种纳米机器人具有良好的安全性和免疫惰性。

   上述研究表明，DNA纳米机器人代表了未来人类精准药物设计的全新模式，为恶性肿瘤等疾病的治疗提供了全新的智能化策略。■

 

水稻分子设计育种取得新进展

   立博体育:年9月18日，在国审稻新品种“中科804”现场会上，“中科804”从3000亩示范片中脱颖而出，在产量、抗稻瘟病、抗倒伏等农艺性状方面均表现突出。

   针对东北地区最主要的优质米品种稻花香在生产中所遇到的问题，立博体育在线:科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队与立博体育在线:水稻研究所钱前研究组、立博体育在线:科学院北方粳稻分子育种联合中心张国民研究组联合，以优异稻米品质基因、抗倒伏和抗稻瘟病等基因为主线，结合高产及理想株型基因等，运用分子模块设计育种的理念和技术，经过精心设计，育成具有优质、高产、抗稻瘟病和抗倒伏的“中科804”以及“中科发”系列粳稻新品种。

   作为成功利用“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”理论基础与品种设计理念育成的标志性品种，“中科804”和“中科发”系列水稻新品种实现了高产优质多抗水稻的高效培育。“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”研究成果于2017年获国家自然科学奖一等奖。“中科804”作为从科学理论到生产实践的典型范例，将给予品种设计育种研究领域新的启迪，极大推动作物传统育种向高效、精准、定向的分子设计育种转变。■

 

异源四倍体野生稻快速从头驯化获得新突破

   立博体育在线:科学院种子创新研究院／遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队首次提出异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，旨在最终培育出新型多倍体水稻作物，从而大幅提升粮食产量并增加作物环境变化适应性。相关研究成果2021年2月4日发表于《细胞》杂志。

   李家洋提出的异源四倍体野生稻快速从头驯化策略“蓝图”的第一阶段是在全球范围内收集并筛选综合性状最佳的异源四倍体野生稻底盘种质资源。第二阶段，研究团队历时近4年突破了三大技术瓶颈，建立野生稻快速从头驯化技术体系，包括高质量参考基因组的绘制和基因功能注释、高效遗传转化体系和高效基因组编辑技术体系。第三阶段为品种分子设计与快速驯化，包括重要农艺性状基因注释及基于基因组信息的品种分子设计、重要农艺性状基因的功能验证、多基因编辑和聚合以及田间综合性状评估等。

   研究人员还进一步验证了这一设想的可行性，他们注释了栽培稻中10个驯化基因及113个重要农艺性状基因在异源四倍体野生稻中的同源基因，系统分析其同源性，并进一步对控制落粒性、芒长、株高、粒长、茎秆粗度及生育期的同源基因进行了基因编辑，成功创制了落粒性降低、芒长变短、株高降低、粒长变长、茎秆变粗、抽穗时间不同程度缩短的各种基因编辑材料。■

《科学新闻》 (科学新闻2022年6月刊 封面)