自然杂志发表论文方珂

作为一种“尊贵”的象征，黄金在 历史 长河中一直以其化学惰性示人。但纳米尺寸的金颗粒与二氧化钛相结合后却性情大变，成了促进多种催化反应的高级主攻手。科学界普遍认为金与二氧化钛的界面是起到了关键作用的活性中心，但一直以来，研究人员未曾看到过真实催化过程中其活性界面原子级别的动态演变，因而无法进一步对其界面的活性进行精准调控。

打开这个催化反应“黑匣子”，看清楚催化过程如何发生是科学界长久以来的梦想。经过近五年的研究，浙江大学电子显微镜中心张泽院士团队的王勇教授联合中科院上海高等研究院高嶷研究员、丹麦 科技 大学Wagner教授和Hansen博士等团队，在环境透射电子显微镜中，首次在原子尺度下一氧化碳催化氧化过程中观察到催化剂界面活性位点的可逆变化，并据此实现了界面活性位点的原子级别原位调控。这项成果对今后设计更好的环境催化剂、高效稳定地处理污染气体具有重要意义。

这项研究北京时间2021年1月29日，被国际顶级期刊《科学》在线刊登，这是该团队继2020年1月24日之后第二次在《科学》杂志上发表原位催化方向的学术论文。

电镜底下现原形，

打开催化“机关”

负载在二氧化钛表面的金颗粒是将一氧化碳转化为二氧化碳的重要催化剂，也是工业催化研究中的常见组合。

浙大团队依托其擅长的原位环境电子显微学技术开展催化反应研究，在原子层面清楚地看到了整个催化过程。这个纳米催化剂长什么样呢？王勇介绍，金颗粒像一个磁体，牢固地贴在由二氧化钛制成的底座上。

科研人员首次发现两大现象：一是看到一氧化碳催化氧化时二氧化钛表面的金颗粒发生面内（外延）转动（约9.5 ），首次通过可视化实验直观证实了界面是活性中心。二是从催化反应环境回到氧气环境时，金颗粒又神奇的转回到原来的位置。

侧视视角观察金在二氧化钛表面的转动

这个过程就像武侠剧中，通过旋转机关打开隐避门一般，金属颗粒通过转动合适角度后可增加界面活性位点数量，从而提高催化效率。

看清“黑匣子”的难度在哪里？袁文涛介绍，高质量样品的制备、观察角度的选择、电子束的干扰都会影响实验的顺利开展。正如审稿人所说：“目前已有一系列工作报道纳米颗粒在不同气氛环境下发生可逆的结构变化，但在原子层次获取他们的结构演变细节仍是一个巨大的挑战。”

“要完成这个实验，需要制备原子级别平整的金-氧化钛界面。”王勇说，这样才能实现金颗粒的可控转动。此外，找准观察角度非常重要，一方面是能够看清晶格的排布，另一方是能够更好地描述现象。“一开始我们从侧面去观察，（对非本专业人来说）旋转不是很明显，开始审稿人不太相信，后来我们重新设计实验从顶上往下俯视，角度稍有一点变化，都能看得一清二楚。”审稿人肯定说：“所有这些都是利用原位电镜完成，他们把侧视图和俯视图观察到的信息关联起来，这真了不起。”

俯视视角观察金在二氧化钛表面的转动

还原事实真相，四两拨千斤

浙大科研团队这次看到的催化剂转动，一度被人们认为是不可能发生的现象，正如其中一个审稿人曾提到“整个颗粒的转动是难以置信的”。

这是因为金颗粒和二氧化钛结合在一起时形成了化学键，“焊接”非常牢固（有外延关系），即便是被高能量的电子束轰击也都岿然不动。

张泽解释，一样东西的存在要保持能量的最低状态，不同的环境中，物体所需最低能量也是不同的。这就好比，在低海拔地区需要100摄氏度才会沸腾的水，到了高海拔地区可能90摄氏度就沸腾了。

如何打破化合键的“定力”，让它动起来从而实现对界面的操控？

王勇说，用“蛮力”是行不通的。“这就需要用巧劲。氧气通入后喜欢吸附在金-二氧化钛界面处，可以把金颗粒‘托起来’。”王勇说，我们和高嶷理论团队密切合作，结合一系列理论计算发现当实验中把一氧化碳通入与氧气发生催化反应，本质上是消耗了部分界面氧，“桩托”就不稳定了，这样四两拨千斤地把原来需要很大力气才能推动的金颗粒转动了；当我们停止通一氧化碳时，界面氧得到补充，金颗粒又转回原位了。

“这是非常有意思的发现，催化剂颗粒在反应前和反应后都处于同一位置，但在反应的过程中转动了一定的角度，如果没有原子尺度的原位实验观察是不可能发现这个现象的。”张泽院士说。

前沿与应用，科研两条腿走路

对科学家而言发现一个现象，理解其中的规律后，更重要的是利用得到的规律改造现实世界。

在实验中，浙大研究者发现当实验温度达到500摄氏度时，不同气氛环境下金颗粒可在两个角度间可逆转动而形成两种界面结构，如果在催化性能好的那个结构时把温度降下来，比如说降到室温，就可以“锁定”这个界面结构，在低温催化反应时展现优异的催化效率。王勇说：“这一发现为未来催化剂的设计提供了新思路，开拓了新的视野。而且，别的材料、别的反应的调控也可以从这个角度去思考。”

利用温度和气氛调控金-二氧化钛界面结构

与此同时，金颗粒二氧化钛催化剂对于消除一氧化碳、防止中毒和保护环境具有积极作用，这将为研发更廉价高效、安全稳定的催化剂打开一扇新窗户。

张泽院士在接受采访时说：“科学研究要‘两条腿走路’，一条走到世界前沿，发现新现象，找到新规律；另一条应服务国民经济发展，期望我们的科学发现能助力高效稳定催化剂的研发，这样才能为国解忧，为民造福。”

论文的第一单位为浙江大学，浙大材料科学与工程学院袁文涛博士为第一作者，中国科学院上海高等研究院朱倍恩博士、浙大材料学院博士生方珂为共同第一作者；浙江大学材料科学与工程学院、浙大电镜中心王勇教授为通讯作者，高嶷研究员、Wagner教授、Hansen博士为共同通讯作者，浙大团队学术带头人张泽院士对此工作给予了重要指导和支持。此外，杨杭生教授、博士生李小艳和欧阳参与了该工作。

该工作得到了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金、教育部、中科院青促会、国家超级计算广州中心、上海超算中心、中国博士后基金、硅材料国家重点实验室的共同资助和支持。

目前对转基因植物的安全性评价一方面是环境安全性，另一方面是食品安全性。 环境安全性评价的核心问题是转基因植物释放到田间后，是否会将所转基因移到野生植物中，是否会破坏自然生态环境，打破原有生物种群的动态平衡。包括：1)转基因植物演变成农田杂草的可能性。2)基因漂流到近缘野生种的可能性。3)对生物类群的影响。 关于食品的安全性。 经和组织（OECD）1993年提出了食品安全性评价的实质等同性原则。如果转基因植物生产的产品与传统产品具有实质等同性，则可以认为是安全的。反之，则应进行严格的安全性评价。在进行实质等同性评价时，一般要考虑以下主要方面：1、有毒物质：必须确保转入的外援基因或基因产物对人畜无害。2、过敏源：在自然条件下存在着许多过敏源，在基因工程中如果将控制过敏源形成的基因转入目标植物，则会对过敏源造成不利的影响。 利用转基因动物生产出来的药物安全性问题不大，可根据其结构与天然蛋白结构是否一致来判断安全性。但是在生产过程中，转基因动物如何对应GAP，GLP，GMP、如何避免转基因动物的遗传物质进入药物是应该重点强调的问题，另外，作为动物药厂的动物本身一旦不“产药”了，对该动物的后继处理也应慎重考虑。 目前，世界主要发达国家和部分发展中国家都制定了各自对转基因生物（包括植物）的管理法规，负责对其安全性进行评价和监控。在美国分别由农业部动植物检疫局（APHIS）环保署（EPA），以及联邦食品和药物管理局（FDA）负责环境和食品联各方面安全性评价和审批。 中国的生物基因工程安全管理工作相对滞后，到目前为止，只有2部基因工程安全管理规章： 1993年12月国家科委发布的《基因工程安全管理办法》 1996年7月农业部发布的《农业生物基因工程安全管理实施办法》 另外，部门和行业的管理规定力度不够，不适应工作要求： 据了解，中国大陆目前正在进行研究的基因工程受体生物92种，而申报只有22种，从事此类研究的单位80多个，申报安全性评价的只有19个。但是最令人担忧的是基因工程安全评价没有一个完全合理的办法。 北京生物技术和新医药产业促进中心此次举办第七次生命科学前沿讨论会--基因工程和生物安全性问题，邀请了部分在京的转基因专家，畅谈讨论，旨在为我国转基因生物安全管理出谋划策。 一个公众关注的话题--转基因生物的安全性 一个上至国家领导，下到平民百姓都关心的共同话题----转基因生物安全，是近年来在媒体上出现频率较高的新概念。 转基因生物安全，从整体意义来说，它不仅仅是技术问题。近年来，国际上对转基因生物的争论，已扩大到了政治、经济、贸易、社会、伦理等多个层面，而且争论的热点和焦点，是农业转基因生物引发的环境安全与食用安全问题。随着我国人民生活水平的提高，公众对农产品质量和安全的要求越来越高。 转基因食品安全吗 严格说来，任何食品都不存在绝对的安全性。国际上目前广泛采用“实质等同”原则，即以转基因食品与非转基因食品比较的相对安全性，作为评价依据，只要转基因食品与传统食品“实质等同”，就是安全的。目前国际上对转基因食品的安全性还有争论，但目前尚没有明确的科学证据表明转基因食品对人体有害。 虽然没有发现转基因食品对人体有害，但本着对人类负责的态度，许多政府部门和科学家对转基因食品“可能存在的潜在危险”比较关注，人们担心转基因活生物体及其产品作为食品进入市场，可能对人体产生某些毒理作用和过敏反应，其营养成分的变化、转基因成分加工产生的变化，有可能对人体产生某些负面影响。这只是“可能存在的潜在危险”，目前并没有证明确实存在这些危险。 我国对农业转基因生物实行比较严格的管理，农业转基因生物产品进入市场销售前，要经过一系列的安全评价试验。在中国境内进行农业转基因生物生产应用前，应经过中间试验、环境释放、生产性试验阶段的安全性试验，经安全评价合格的可领取安全证书；申请进口用作加工原料的农业转基因生物进入市场销售前，应由农业部认定的技术检测机构经过申请领取安全证书、申请进口标识、申请国内标识三个阶段。 目前，经政府部门批准上市的转基因食品尚未发现其对人体健康有何副作用。 转基因生物发展趋势 尽管国际上对转基因生物技术及其安全性争论不断，全球对转基因生物技术的研究始终没有放弃。转基因作物的种植面积由1996年的170万公顷增加到2001年的5260万公顷，6年间增加30多倍。至2000年，已有近50个国家相继培育成200多种转基因作物，其中各国已获准上市的转基因作物产品种类已达149个，仅美国就有42个，由转基因作物生产加工的转基因食品和食品成分已达4000余种。转基因农作物及其产品市场销售额由1995年的7500万美元，增加到2000年的30亿美元。转基因作物的发展趋势是不可逆转的。 近年来，中国政府不断加大对生物技术研究计划的支持。目前，中国正在研究的转基因生物有130多种，涉及的基因种类超过100种。其中在棉花研究领域，有45个优良品种获准进入环境释放，经国家审定的抗虫棉有13个，并在全国12个省推广，2001年种植面积达到60万公顷。 从1997年至2001年，经过安全评价，农业部批准水稻、玉米、棉花、大豆、油菜、马铃薯、杨树等10种转基因植物进入田间环境释放，批准转基因棉花、矮牵牛花等植物和兽用微生物基因工程疫苗进入商业化生产。近年来，中国还实施了“转基因棉花种子产业化”、“基因工程疫苗产业化”等高新技术产业化重大项目，并开始在生产中发挥效益。 政府对转基因安全问题负责 农业生物技术，在为农业生产、人类生活和社会进步带来巨大利益的同时，也可能对生态环境和人类健康构成潜在的风险，所以从科学上讲，对农业转基因生物安全问题，还需要长期的跟踪研究。 我国作为一个农业大国、生物多样性大国，又是大豆、水稻等主要农作物的原产地，在发展生物技术的同时十分重视生物安全。对农业转基因生物采取“积极研究、慎重推广、加强管理、稳妥推进”的方针。对于起源于我国的重要物种，如大豆、水稻，以及大宗粮食、油料作物要加强管理、慎重推广，稳妥地推进产业化。为此，根据国际相关组织和多数国家的做法，我国政府制定并颁布了转基因生物安全法规，以加强转基因生物安全管理，规范相关产业的健康发展。 2001年5月23日，我国政府颁布了《农业转基因生物安全管理条例》(简称《条例》)。《条例》在原农业部颁布的《农业生物基因工程安全管理实施办法》的基础上，将农业转基因生物安全管理从研究试验延伸到生产、加工、经营和进出口。《条例》规定对农业转基因生物实行安全评价制度、标识管理制度、生产与经营许可制度和进口安全审批制度，标志着中国对农业转基因生物的研究、试验、生产、加工、经营和进出口活动开始实施全面的管理。 2002年1月5日，农业部又发布了与《条例》配套的三个管理办法，即《农业转基因生物安全评价管理办法》、《农业转基因生物进口安全管理办法》和《农业转基因生物标识管理办法》，自3月20日起施行。 从维护全球生物多样性、保护生态环境和人类健康的角度出发，《条例》及其配套规章体现了科学、透明、公正的原则，适用于来自包括中国在内的任何国家的农业转基因产品，对国外企业充分考虑了最惠国待遇和国民待遇，是符合国际惯例的，是对人民负责的。 严格管理程序出效益 自2002年3月20日《条例》的三个配套管理办法实施以后，农业部就收到了美国孟山都、杜邦及陶氏益农、德国拜耳、瑞士先正达等五家境外公司19份进口用作加工原料的农业转基因生物安全证书申请，涉及转基因大豆、玉米、油菜、棉花4种作物和抗除草剂、抗虫、雄性不育3种性状。 食用安全作为转基因生物安全的一个重要组成部分，与环境安全同等重要，不可或缺。为此，农业部在2002年下半年启动了食用安全检测工作，组织中国疾病预防控制中心营养与食品安全所、天津防病中心等单位制订了《转基因植物及其产品食用安全检验标准》(征求意见稿)，并对5家境外公司的反馈意见进行了研究。根据安全评价的需要和专家意见，农业部确定了对进口作加工原料的农业转基因生物进行抗营养成分分析和大鼠90天喂养两项验证试验。 根据《条例》及配套管理办法的规定及管理程序，农业部先后安排了环境安全检测试验和食用安全检测试验。环境安全检测包括生存竞争、对生物多样性的影响、基因漂移3个指标的试验，由中国农科院植保所、山东农科院、南京农业大学、吉林农科院、中国农科院油料所和华中农业大学承担；食用安全检测包括大鼠90天喂养和抗营养成分分析两个指标的试验，由中国疾病预防控制中心、天津防病中心和中国农业大学承担。 2002年四五月份，我国大豆进口基本处于停滞状态，全年大豆进口明显减少。据国家海关总署统计，2002年我国累计进口大豆1132万吨，比2001年减少262万吨，下降18．8％。这是什么原因?农业部相关同志分析说，农业转基因生物安全管理法规的实施，在一定程度上抑制了大豆进口猛增的势头。 据介绍，前几年，我国进口大豆总量不断攀升。2002年，农业转基因安全管理法规的实施，对国外转基因大豆输入我国进行了有效和有序的管理。由于大豆进口量的减少，从而引发了国内大豆价格上扬，库存减少，收获期大豆价格上涨，主产区价格比去年同期高出0．35元／斤，每亩收益达到110元左右。这不仅大大提高了农民种植大豆的积极性，而且较好地推动了农业部大豆发展振兴计划的实施。 确保法规的有效实施 为保障《条例》、三个管理办法及临时措施的实施，农业部成立了农业转基因生物安全管理领导小组，设立了农业部农业转基因生物安全管理办公室；建立了由农业部、外经贸部、卫生部、科技部、国家质检总局、国家环保总局等部门负责人组成的农业转基因生物安全管理部际联席会议制度。部际联系会议，负责研究、协调农业转基因生物安全管理工作中的重大问题；办公室负责农业转基因生物安全的综合协调与管理。 对转基因生物的安全性评价是实施安全管理的核心，为此，我国成立了国家农业转基因生物安全委员会，委员会由各部门和科研教学单位从事生物技术与生物安全研究和管理的58位专家组成，负责农业转基因生物的安全评价工作。 为适应加入WTO的需要，使农业转基因生物安全评价、进口、标识认可的申请、审批透明和公正，农业部还制定了农业转基因生物安全评价管理程序、进口安全管理程序、标识审查认可程序等三个规范性文件，对有关申请、受理、审查和批复等各环节及时间要求做出了明确规定，并公开发布。 目前，农业部已经完成了农业转基因生物安全评价与检测技术规范的制定工作，正积极加强转基因生物安全性研究和技术支撑体系建设，组织农业转基因生物技术检测机构的认定工作。 相关链接 按照国务院领导的批示和国务院法制办的立法要求，由农业部牵头起草《农业转基因生物安全管理条例》。《条例》于2001年5月23日以国务院第304号令公布并施行。 《条例》规定了在中华人民共和国境内从事农业转基因生物的研究、试验、生产、加工、经营和进口、出口活动中应遵循的5项农业转基因生物管理制度。具体条文如下： (1)安全评价制度。国家对农业转基因生物安全评价按照植物、动物、微生物三个类别，以科学为依据，以个案审查为原则，实行分级分阶段管理。 (2)生产许可证制度。生产转基因植物种子、种畜禽、水产苗种，应当取得农业部颁发的种子、种畜禽、水产苗种生产许可证。申请转基因植物种子、种畜禽、水产苗种生产许可证，首先要取得农业转基因生物安全证书，并符合有关法律、行政法规规定的条件。 (3)经营许可证制度。经营转基因植物种子、种畜禽、水产苗种的单位和个人，应当取得农业部颁发的种子、种畜禽、水产苗种经营许可证。申请经营许可证，除应当符合有关法律、行政法规规定的条件外，还应当符合《条例》规定的其他条件。 (4)标识制度。在中华人民共和国境内销售列入农业转基因生物标识目录的农业转基因生物，应当有明显的标识。标识由生产、分装单位和个人负责，未标识的，不得销售。 (5)进口安全管理制度，对于进口的农业转基因生物，按照用于研究和试验的、用于生产的以及用作加工原料的三种用途实行安全管理。引进单位或者境外公司应当凭农业部颁发的农业转基因生物安全证书和相关批准文件，向口岸出入境检验检疫机构报检，经检疫合格后，方可向海关申请办理有关手续。

2017年6月16日，我国科学家潘建伟院士领导的中科院联合团队在《科学》杂志上发布论文宣布，“墨子号”量子卫星成功实现了千公里级星地双向量子纠缠分发及大尺度量子非定域性检验。8月10日，潘建伟团队关于量子卫星“墨子号”的两篇科研论文同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上，内容分别是“墨子号”在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发，以及从地面到卫星的量子隐形传态。

至此，“墨子号”已圆满实现预先设定的全部3大科学目标。与经典通信不同，量子密钥分发通过量子态的传输，在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通信方式。这意味着“不被破解的加密技术”这个人类千年梦想，已经有了成为现实的科技基础。

点评：“墨子号”量子卫星是由我国完全自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星。该卫星从科学概念的提出到关键技术的突破，从工程组织实施到科学成果产出，均由我国科学家主导完成，这标志着我国在量子通信领域的研究在国际上达到全面领先优势地位。