转自：科创中国
《科技导报》自2004年第3期刊登“2003年中国重大科学、技术和工程进展”以来，至今已连续21年遴选发布中国年度重大科学、技术和工程进展。为盘点2024年中国重大科学、技术和工程进展，《科技导报》编辑部从国内外重要科技期刊和科技新闻媒体2024年1月1日至12月31日间发表、公布或报道的中国科技成果中，遴选、推荐22项重大科学进展、20项重大技术进展、20项重大工程进展候选条目，由《科技导报》编委、审稿人等专家评选，参考每项进展的得票情况，推选出2024年中国重大科学进展10项、重大技术进展10项、重大工程进展10项，以下按发表、公布及报道的时间先后逐一介绍。
今天我们介绍2024年中国重大技术进展，分别为：解码抗癌药物紫杉醇的生物合成途径；开发出具有Pb容量的三维纳米级光盘存储器技术；研制出大规模智能光计算芯片太极；利用国产型扫描探针显微镜首次“看到”冰表面的原子结构；基于原语表示的类脑互补视觉感知芯片“天眸芯”研制成功；实现以RNA为媒介的基因精准写入；构建超越经典计算机的量子模拟器“天元”；研制具有原子尺度局域化光场的奇点介电纳米激光；高性能有机热电材料研究取得重要进展；借助AI破解催化领域重大科学难题。
1、解码抗癌药物紫杉醇的生物合成途径
紫杉醇是全球销量第一的植物广谱抗癌药物，其化学全合成一直是有机化学家面临的一个重要挑战。用于药物生产的材料主要是从红豆杉的原始树木中分离baccatin III等生产原料，随后通过化学转化为紫杉醇或多西紫杉醇等其他抗癌药物分子。紫杉醇的生物合成反应步骤包括从底物香叶基焦磷酸（GGPP）形成紫杉烷骨架，通过C4和C20双键的环氧化生物合成baccatin III，以及将phenylisoserine链连接到baccatin III的C13位置生成紫杉醇这3个关键过程。其中，形成baccatin III的几个基本步骤仍然未知，特别是环氧丁烷的形成和C9的氧化，因此迄今为止缺乏完整的紫杉醇生物合成途径。
（a）红豆杉（Taxus）CYP725A亚家族基因（蛋白序列一致性<90%）的系统发育分析；（b）CYP725A亚家族候选基因活性筛选工作流程；（c）紫杉二烯六乙酸酯（1）、1-去羟基巴卡亭IV（2）、巴卡亭I（3）的提取离子色谱图（EICs）；（d）烟草表达Ⅱ组单个基因同时被化合物1浸润后，其中的紫杉二烯六乙酸酯（1）、1-去羟基巴卡亭Ⅳ（2）和巴卡亭I（3）的提取离子色谱图；（e）在昆虫细胞中测定TOT1的功能
图1 在红豆杉植物中，TOT1负责氧杂环丁烷的形成
中国农业科学院农业基因组研究所闫建斌团队领衔，联合北京大学雷晓光等国内其他研究团队，利用多学科技术手段，人工重建了在烟草中生产baccatin III的生物合成途径。研究人员首先发现了紫杉醇生物合成中最具挑战的关键酶——紫杉烷氧杂环丁烷合酶（TOT1），这是一种双功能加氧酶，它直接将烯烃部分转化为环氧化物和环氧丁烷（图1）。之后鉴定出baccatin III合成的2个必需基因（TOT1和T9αH）后，将这2个新基因与其他已知参与baccatin III生物合成的基因（TXS、T5αH、T13αH、2α h、T7βH、TAT和TBT）共表达，发现当T9αH和TOT1与baccatin III生物合成途径的7个已知基因共表达时，可以成功检测到baccatin III。该研究解决了打通紫杉醇生物合成途径这一世界难题，阐明了紫杉醇关键药效基团的形成机制，为解决紫杉醇关键生产技术问题铺平道路。
2、开发出具有Pb容量的三维纳米级光盘存储器技术
大数据时代，如何安全高效且低成本存储数据成为亟待解决的难题。光存储技术（optical data storage，ODS）具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50~100年的独特优势，然而受到光学衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在100 GB量级。如何在有限体积内有效增加存储密度、提高单盘存储容量，一直是光存储领域的重大挑战。
（a）光盘的双光束写和双光束读示意；（b）有机树脂薄膜旋涂工艺流程用于空白光盘制备；（c）单张光盘等效容量相当于一个Pb级蓝光光盘库和硬盘库
图2 三维纳米光盘的读写原理及生产制备流程示意
上海理工大学光子芯片研究院顾敏，张江实验室、上海理工大学文静，中国科学院上海光学精密机械研究所阮昊联合研究组通过将平面记录架构扩展到数百层的三维空间，同时打破记录点的光学衍射极限屏障，将ODS的容量提高到Pb级。研究开发了一种掺有聚集诱导发光染料的有机树脂薄膜的光学记录介质，首次报道了其在飞秒激光调控下的聚集诱导发光现象，并深入探讨了一系列全新的机理过程。研究首创了双光束调控掺杂聚集诱导发光染料的有机树脂薄膜超分辨光存储技术（图2），在信息写入和读出方面均突破光学衍射极限的限制，实验实现记录点尺寸为54 nm、点间距为70 nm并多达100层的记录，验证材料寿命大于40年。运用这一超分辨纳米三维光盘存储器技术，单盘等效存储容量为1.6 Pb，这对我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济可持续发展具有重大意义。
3、研制出大规模智能光计算芯片太极
以大模型为代表的人工智能技术迅猛发展，对算力的需求呈现远超摩尔定律增长的趋势，新兴智能计算范式的发展迫在眉睫。以光为计算媒介，以光的可控传播构建计算模型，光计算以其高算力低能耗特性打开了智能计算的新赛道，成为新一代人工智能的国际前沿。
图3 太极系列大规模推理与训练芯片 （图片来源：清华大学研究组）
针对大规模可重构智能光计算难题，清华大学方璐、戴琼海研究团队首创了广度光计算架构，建立干涉-衍射联合传播模型，研制了国际首款大规模通用智能光计算芯片“太极-I”，实现每焦耳160万亿次运算的系统级能量效率，赋能自然场景千类对象识别、跨模态内容生成等通用人工智能任务（图3）。Science杂志评价：“这项工作朝着实现实际光计算迈出了重要而有前景的一步，为人工智能的多种应用提供了有力支持。”英国皇家工程院院士、剑桥大学副校长Richard Penty评价“具备扩展性和速度优势，应用广泛”。
针对光神经网络训练规模与精度矛盾的难题，研究组构建了光子传播对称性模型，摒弃了电训练反向传播范式，首创了全前向智能光训练架构，摆脱了对GPU离线训练的依赖，实现了高效精准的原位光训练，研制了智能光训练芯片“太极-Ⅱ”，训练效率提升1~2个数量级。法国科学院纳米科学技术中心主任Damien Querlioz评价“架构优雅、巧妙，可广泛应用于各种物理神经网络与机器学习硬件系统。”
太极系列光芯片首次实现了大规模光神经网络的推理与训练，以更低的资源消耗和更小的边际成本，为人工智能大模型、通用人工智能、智能无人系统等注入算力发展的“光子”动力，为后摩尔时代高速高能效智能计算探索新路径。
4、利用国产扫描探针显微镜首次“看到”冰表面的原子结构
冰广泛存在于自然界中，其表面与许多物理和化学性质密切相关，如融化、冻结、摩擦、气体吸附和大气反应。冰表面常在低于其熔点（0℃）的温度下开始融化，这一现象称为冰的预融化，其对理解冰面的润滑现象、云的形成及冰川的消融过程等至关重要。自从19世纪中期法拉第首次提出冰表面会发生预融化的概念以来，由于谱学手段无法得到冰表面原子尺度的准确信息，预融化的机制和起始温度的争论已持续170多年。
（a）冰表面的六角密堆积（Ih）和立方密堆积（Ic）晶畴的原子力显微镜实验图像；（b）结构模型示意；（c）周期性超结构的原子力显微镜实验图像
图4 六角冰表面的原子级分辨图像
北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台、钱塘基础科学研究院江颖、徐莉梅、田野、王恩哥研究团队利用自主研发的国产qPlus型扫描探针显微镜，首次获得自然界最常见的六角冰表面的原子级分辨图像（图4）。研究团队发现冰表面在零下153℃（120 K）开始融化，这个温度远低于之前研究普遍认为的预融化起始温度（大于200 K），并结合理论计算揭示了该过程的微观机制。研究人员发现冰表面存在一种长程有序的周期性超结构，通过分析超结构表面的氢核分布，并结合第一性原理计算，发现这种独特的氢键网络结构能显著降低冰表面悬挂氢核之间的静电排斥能，从而使其比理想冰表面更加稳定。这些发现结束了关于冰表面结构及氢序的长期争论，颠覆了长期以来人们对冰表面结构和预融化机制的传统认识，开启了冰科学研究的新篇章，将对材料学、摩擦学、生物学、大气科学、星际化学等众多学科领域产生深刻影响。
5、基于原语表示的类脑互补视觉感知芯片“天眸芯”研制成功
随着人工智能的飞速发展，无人驾驶和具身智能等无人系统在现实社会中不断推广应用。而在复杂多变且不可预测的环境中，实现高效、精确且鲁棒（指在异常和危险情况下系统生存的能力）的视觉感知面临巨大挑战。
图5 “天眸芯”的类脑互补视觉感知架构
清华大学类脑计算研究中心施路平、赵蓉团队借鉴人类视觉系统，提出基于原语的类脑互补视觉感知新范式，并研发“天眸芯”视觉感知芯片，在理论、芯片、算法、软件和系统应用方面取得重大突破（图5）。新范式将视觉信息拆解为基于视觉原语的表示，通过有机组合形成“认知”与“动作”2条优势互补、信息完备的视觉感知通路，突破传统性能瓶颈。“天眸芯”拥有类人视觉的双通路感知能力，在极低的带宽（降低90%）和功耗的代价下，实现了每秒1万帧的高速、10 bit的高精度、130 dB的高动态范围的视觉信息采集。它不仅突破了传统视觉感知范式的性能瓶颈，而且能够高效应对各种极端场景，确保系统的稳定性和安全性。此突破开辟了类脑感知和原语数据表示的新领域，为理解人类感知提供新视角。“天眸芯”有望成为未来视觉感知、空间智能的基座技术，为智能驾驶、工业自动化、消费成像、科学测量等领域带来深远变革。
6、实现以RNA为媒介的基因精准写入
实现大片段DNA在基因组的高效精准整合，是整个基因工程领域亟需突破的难题。针对这一重大技术挑战，多种基因写入技术已被开发，但这些技术都依赖于DNA模板作为基因写入的供体（donor）。在实际医学应用中，DNA供体面临免疫原性高、在体（in vivo）递送困难、在基因组中具有随机整合风险等诸多挑战。相比之下，RNA供体具有免疫原性低、可被非病毒载体（例如LNP）有效递送、在细胞内迅速降解，无随机整合风险等特点，能有效应对DNA供体所面临的挑战。而实现功能基因尺度的大片段DNA基因组精准定点整合，仍然是基因工程领域面临的挑战。
图6 开发全RNA介导的、高效精准的哺乳动物细胞大片段功能基因写入工具
中国科学院动物研究所李伟与周琪研究团队结合基因组数据挖掘和大分子工程改造等手段，开发了使用RNA供体进行大片段基因精准写入的R2逆转座子工具，能够在多种哺乳动物细胞系、原代细胞中实现大片段基因（>1.5 Kb）高效精准的整合，成功实现了全RNA介导的功能基因在多种哺乳动物基因组的精准写入（图6）。研究团队结合数据分析和工程化改造方法，成功开发了全RNA介导的、高效精准的基因写入技术，首次在多种人和小鼠细胞系及原代细胞中实现了功能基因的定点整合。未来有望基于此工具开发在体功能基因回补写入以及在体生成CAR-T细胞等全新的疾病治疗方法，有望为遗传病、肿瘤等疾病带来更高效、更安全、更低成本的全新治疗方式，为新一代创新基因疗法的发展提供了基础。
7、构建超越经典计算机的量子模拟器“天元”
中国科学技术大学潘建伟团队成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器（图7），以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变。研究团队在前期实现盒型势阱中的均匀费米超流的基础上，创造性地将盒型光势阱（box trap）和平顶光晶格（flat-top optical lattice）技术相结合，实现空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。该体系包含大约80万个格点，比目前主流实验的几十个格点规模提高了约4个数量级，并具有一致的哈密顿量参数，且温度显著低于奈尔温度（即反铁磁相变温度）。在此基础上，研究团队通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度，直接观察到反铁磁相变的确凿证据——自旋结构因子在相变点附近呈现符合幂律的临界发散现象，从而首次验证费米子哈伯德模型包括掺杂条件下的反铁磁相变。该研究朝向获得该模型低温相图、理解高温超导机理迈出了重要的第一步，也全新打开构建专用量子模拟机的大门，为未来大规模量子网络铺平道路。
8、研制具有原子尺度局域化光场的奇点介电纳米激光
自1960年激光问世以来，通过在频率、时间、动量或空间等维度对光场进行局域化，从而实现更高性能的激光一直是推动激光物理与器件发展的核心驱动力。在空间维度上，极端局域化光场可获得纳米尺度激光，为直接观察单个分子开辟了可能性，为物理和生命科学提供了创新的成像和研究工具。
（a）奇点介电纳米激光示意；（b）扫描电子显微镜照片；（c）奇点介电纳米激光中心蝶形纳米天线区域的扫描透射电子显微镜照片；（d）对数坐标下的场分布；（e）对数坐标下中心蝶形纳米天线区域的场分布；（f）奇点介电纳米激光在不同泵浦功率下的光谱；（g）二阶相干函数随输入功率变化曲线；（h）对数坐标下的场分布截线；（i）放大的对数坐标下的场分布截线
图8 奇点介电纳米激光
北京大学物理学院马仁敏研究组提出一种全新的奇点色散方程，揭示了全介电蝴蝶结纳米天线的色散特性。研究组将具有电场无限大奇点的介电蝶形纳米天线与转角光学纳腔相结合，构建了模式体积突破光学衍射极限的奇点纳腔，通过刻蚀-生长两步法在半导体多量子阱增益材料中制备了具有原子级特征尺度的奇点介电纳米激光，首次在介电体系中实现突破光学衍射极限的奇点介电纳米激光器（图8）。该奇点纳米激光器光腔品质因子（即光腔存储能量与每周期损失能量的比值）可超过100万。奇点介电纳米激光将激光特征尺度推进至原子级，与X射线达到的尺度相当，这一突破有望为物质科学和生命科学的研究提供新的工具。
9、高性能有机热电材料研究取得重要进展
聚合物热电材料是贴附式和可穿戴能源器件的关键材料之一，然而，相对于已有的热电材料体系，聚合物热电材料长期面临热电优值（ZT）低的困境，无法满足温差发电与固态制冷应用的核心指标需求，亟需通过分子理性设计与组装调控实现性能跃升。
图9 PMHJ结构的设计思想与飞行时间
二次离子质谱表征结果
中国科学院化学研究所朱道本、狄重安研究团队与张德清课题组，联合北京航空航天大学赵立东课题组及国内外的研究团队，提出并构建了聚合物多周期异质结（PMHJ）热电材料（图9）。研究团队利用PDPPSe-12和PBTTT 2种聚合物，结合分子交联方法制备了具有不同结构特征的PMHJ薄膜，实验发现，当每种聚合物的厚度接近共轭骨架的“声子”平均自由程时，界面散射明显增强，薄膜的晶格热导率降低70%以上。当2种聚合物及其界面层厚度分别为（6.3±0.5）、（4.2±0.4）和（3.9±0.4）nm时，掺杂PMHJ薄膜展现出优异的电输运性质，368 K下的ZT值为1.28，达到商品化材料在相同温区的热电性能水平。此外，PMHJ结构具有优异的普适性，其加工方式与溶液法制备技术兼容，在柔性供能器件方面具有重要应用潜力。这一研究突破了现有高性能聚合物热电材料不依赖热输运调控的认知局限，推动了有机热电材料进入ZT>1.0的时代，有望为热电塑料领域的持续发展提供新路径。
10、借助AI破解催化领域重大科学难题
负载型金属催化剂是化学工业过程最广泛使用的催化剂之一，对石油化工精炼和工业化学制造至关重要，金属载体相互作用的本质及其调控是高效、稳定催化剂研发中所面临的重大科学问题。为了量化金属-载体相互作用（MSIs），已通过实验和符号回归方法提出许多描述符，如金属亲氧性、金属表面能和电子密度。然而，开发一个全面的MSIs理论，用于氧化物载体上的金属催化剂，仍然是非均相催化中的主要挑战。
（a）通过可解释的机器学习确定了一个可推导公式；（b）从文献中收集的金属-支撑体系的实验粘附能（x轴表示金属，y轴表示支撑）；（c）选定的14个主要特征之间的Pearson相关性；（d）描述符Q（MO）和Q（MM'），分别表示所考虑的体系的M的亲氧性和M'亲和性；（e）预测的|e|填充白点，恢复（b）图像；（f）预测675个金属-氧化物界面的接触角α
图10 MSI模型
中国科学技术大学李微雪研究团队通过先进的可解释AI算法，结合实验数据、可解释的机器学习、理论推导和第一性原理模拟，揭示了金属-载体相互作用的本质，建立了其与材料基本性质之间的本征控制方程，提出“强金属-金属作用原理性判据”，建立了一个基于金属-金属相互作用（MMIs）和金属-氧相互作用（MOIs）的MSIs通用理论（图10），解决了氧化物包裹金属催化剂的难题。为了找到物理MSIs模型，通过将提炼出的特征与简单的数学运算符结合起来，进行了超过300亿个数学表达式的全面探索，以确保模型的可解释性而不牺牲准确性。这一科学突破，将助力于高活性、高选择性、高稳定性催化剂的优化设计。
本文作者：林润华，徐丽娇，王志敏，黄文光，祝叶华
作者简介：林润华，《科技导报》编辑部，副编审，研究方向为电子信息期刊出版。
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