保持特性调控研究中取得进展,中国科大揭示亲疏水性对二氧化碳加氢反应的作用机制

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近日,中国科学院院士、中科院微电子研究所研究员刘明团队及其合作者在阳离子基阻变器件电流-保持特性调控上取得重要进展。

近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心和化学与材料科学学院教授曾杰课题组,以碳化硅体系为研究对象,发现亲疏水性在催化反应过程中起重要作用,并从原子尺度上解释了这种作用的“来源”:亲水性的碳化硅量子点表面富含羟基结构,可以有效促进二氧化碳分子的活化。研究成果以Molecular-Level
Insight into How Hydroxyl Groups Boost Catalytic Activity in CO2
Hydrogenation into
Methanol
为题,在线发表在Chem上,论文的共同第一作者是博士生彭钰涵、博士生王梁炳和特任副研究员罗其全。

近日,中国科学院广州生物医药与健康研究院与北京希诺谷生物科技有限公司、中国农业大学合作,将CRISPR/Cas9与体细胞核移植技术相结合,成功构建出世界首个基因敲除体细胞克隆狗模型。

阻变存储器是一种新型的存储技术,具有低功耗,高存取速度,可缩小性好及易于3D集成等优势,被认为是下一代存储技术的有力竞争者。基于1S1R单元的3D交叉阵列构架是RRAM最具潜力的高密度集成技术方案。为保证1S1R正常工作,选择器必须能够提供相较于存储器更高的驱动电流,这与电流-保持特性经典关系(电流越大保持特性越好)相违背。因此,如何有效调控阳离子基阻变器件的保持特性,打破电流-保持特性经典关系的制约,以满足阳离子基阻变器件作为存储器/选择器的需要,是阻变存储器应用中亟需解决的难题。

催化反应是在催化剂表面发生的,通常可以调控催化剂表面的性质来提升催化反应的活性、选择性和稳定性。亲疏水性是一个重要的表面性质参数,过去人们对于亲疏水性质的理解基本停留在对底物分子的富集作用上,例如亲水的催化剂表面容易吸附醇类等物种,而疏水性表面容易吸附酯类酮类等物种。但这种理解是比较宏观的,因此从原子尺度上揭示催化剂表面亲疏水性质影响催化反应的本质,对于设计高效催化剂具有重要指导意义。

狗是人类最早驯化的动物之一。千百年来,狗作为人类的同伴,被用于看家护院、狩猎、导盲、警用及救援等工作。狗在营养代谢、生理解剖等方面与人类极其相似,且发现狗有200多种遗传疾病与人类的遗传疾病相似,因此狗也是研究人体生理和疾病发生机理的理想实验动物。CRISPR/Cas9与体细胞核移植技术的结合,使得构建更多模拟人类复杂疾病的模型成为可能,这将为开发人类疾病新的治疗手段和药物提供新的实验动物模型,同时也将加速培育出更多含优遗传良性状狗的新品种。

针对上述问题,刘明团队提出通过石墨烯缺陷工程控制活性电极离子向阻变功能层中注入的路径尺寸和数量,集中化/离散化阳离子基阻变器件中导电通路的分布来调控其稳定性。此类调控方法也可看作是
“一根筷子轻轻被折断,十双筷子牢牢抱成团”的东方哲学思想的一种科学运用。该方法打破了阻变器件中电流-保持困境的经典难题,不仅获得了高驱动电流、低保持特性的易失性选择器,而且获得了低操作电流、高保持特性的非易失性存储器,这就为阻变存储器的1S1R方案3D高密度集成奠定了基础。此工作是该领域首次在相同结构阻变器件中实现电流-保持特性的双向调控,这种通用的基于二维材料阻挡概念的离子迁移调控方法也能够移植应用到离子电池,离子传感等研究领域。

研究人员对比商用碳化硅和量子点碳化硅二氧化碳加氢反应活性,发现亲水性的量子点碳化硅在32atm和150oC的条件下,质量活性(massactivity)比同等条件下疏水性的商用碳化硅高出三个数量级。量子点碳化硅的表观活化能是(48.6kJmol-1),只有商用碳化硅(94.7kJmol-1)的一半左右。借助原位同步辐射X射线光电子能谱和近边X射线吸收谱等技术手段,研究人员发现亲水性的量子点碳化硅表面富含羟基,羟基上的H原子可以直接与二氧化碳相互作用形成HCOO*中间物种,从而直接参与到催化反应过程中。这种特殊的反应路径降低了HCOO*形成的活化能,从而促进了二氧化碳的活化。基于该认识,研究人员构筑了一系列表面富含羟基的催化剂,这些催化剂在CO2加氢反应中的活性比其不含羟基的结构高出一个数量级。该课题组对亲疏水性在CO2加氢反应中的作用的理解,突破了人们对于亲疏水性的传统认知,为今后寻找更高效的CO2加氢催化剂开拓了新思路。

研究团队选取ApoE基因用于构建心血管疾病模型,为动脉粥样硬化研究提供更有效的大动物模型。首先,与之前构建MSTN基因敲除狗的方法一样,通过在狗的受精卵胞质中注射mRNA对犬的ApoE基因进行编辑,最终成功获得2只ApoE基因敲除狗,“苹果”和“葫芦”。虽然2只基因敲除狗在ApoE基因位点上都进行了编辑,但2只狗的基因编辑方式是不一样的,其中“葫芦”的编辑方式并未造成移码突变,不是理想的模型。

该工作以《通过石墨烯缺陷工程打破阳离子基阻变器件中的电流-保持困境难题》为题,发表在《先进材料》杂志上(Advanced
Materials
,DOI:
10.1002/adma.201705193)并被评为内封面故事,相关专利已在申请。中科院微电子所博士赵晓龙、上海微系统与信息技术研究所博士马骏及武汉大学教授肖湘衡为该论文共同第一作者,刘明、微电子所研究员刘琦及上海微系统所研究员狄增峰为该论文共同通讯作者。该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京科技人才培养项目、中科院战略重点研究计划等的资助。

研究工作得到了中科院前沿科学重点研究项目、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金等的资助。

为解决CRISPR/Cas9受精卵胞质注射方法存在的基因编辑方式不一样的问题,研究人员接着进行了体细胞克隆的实验。ApoE基因敲除犬“苹果”的耳部皮肤成纤维细胞作为核移植供体细胞进行体细胞克隆,移植代孕受体4只,其中2只成功怀孕并分娩产下3只幼犬,分别取名为“龙龙”、“希希”和“诺诺”。这标志着我国成为继韩国之后第二个独立掌握犬体细胞克隆技术的国家,同时也是世界首例基因敲除体细胞克隆犬的诞生。将CRISPR/Cas9与体细胞克隆技术相结合,可以短时间内获得大量具有相同遗传背景的动物模型。通过这一技术,成功地在6个月内获得3只与“苹果”具有相同遗传信息的动脉粥样硬化模型狗。

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