#美芯片法案对中国芯片产业意味着什么#【深度解读：美国“芯片法案”，对中国芯片产业究竟意味着什么？】当地时间9日，美国总统拜登正式签署《芯片和科学法案》（以下简称“芯片法案”），计划为美国半导体产业提供高达527亿美元的政府补贴。在美国白宫发布的相关说明书中，“芯片法案”的目的被概括为降低成本、创造就业、加强供应链以及对抗中国。
10日接受《环球时报》记者采访的业内人士表示，在美国已采取要求相关企业对中国禁售高端光刻机、向华为公司施加“芯片禁令”、组织“芯片四方联盟”围堵中国等措施后， “芯片法案”开启了美国“几十年来少有的产业政策支持”，在寻求重夺行业主导权的同时，限制和阻止半导体国际企业在中国大陆的既有制造能力和计划中的先进制造能力，进而将这些制造能力虹吸到美国，达到损人又利己的目的。
业内人士同时批评称，美国在“芯片法案”中加入“中国护栏”条款，让企业在中美产业政策中选边站队，制造了一国利用产业政策扰乱国际市场和全球供应链的危险先例。
法案说了什么？美政府豪掷527亿美元，大力补贴芯片研发制造
“美国发明了半导体。三十多年前，美国占全球芯片产量的 40%。后来，我们的经济支柱——制造业被掏空，半导体制造走向海外。”拜登9日在签署“芯片法案”时发表演讲称，“如今，这项法律将半导体（制造）带回了美国……在未来几十年中，我们将再次引领世界。”
正如拜登提到的，“芯片法案”的核心在于帮助美国重新获得在半导体制造领域的领先地位。行业数据显示，美国在全球半导体制造业中的份额从 1990 年的 37% 下降到 2020 年的 12%。同一时期，中国在该领域的份额从几乎为零上升到 15%。
《纽约时报》称，该法案融合了经济和国家安全政策的内容，主要包括两方面计划：一是向半导体行业提供约527亿美元的资金支持，并为企业提供价值240亿美元的投资税抵免，鼓励企业在美国研发和制造芯片；二是在未来几年提供约2000亿美元的科研经费支持，重点支持人工智能、机器人技术、量子计算等前沿科技。
根据美国国会发布的法案文件，“芯片法案”中对于2000多亿美元的投入有着详细的规划与时间表。根据法案规定，美国将成立四大基金，分享政府为半导体行业提供的527亿美元，其中500亿美元被拨给“美国芯片基金”，独占总金额的约95%份额。法案要求，“美国芯片基金”的资金将用于旨在发展美国国内制造能力的半导体激励计划以及研发和劳动力发展计划。
半导体激励计划是“美国芯片基金”在2022至2026财年的重中之重，该计划将花费390亿美元以支持芯片制造业的发展。2022财年，半导体激励计划投资190亿美元，此后每财年投入50亿美元。此外，法案还将为相关企业提供25%的投资税收抵免。同时，法案明确了在2022财年将20亿美元用于传统成熟制程芯片的生产。
除半导体激励计划外，研发和劳动力发展计划也将获得“美国芯片基金”110亿美元的支持，在未来五年内投向国家半导体技术中心(NSTC)、国家先进封装制造计划以及其他研发和劳动力发展项目。
在527亿美元的预算中，“美国国防芯片基金”将获得20亿美元；“美国芯片国际技术安全与创新基金”将获得5亿美元，用以加强与外国政府合作伙伴的协调沟通；“美国芯片劳动力和教育基金”将获得2亿美元，主要用于相关人才培养。
而约2000亿美元的科研经费支持则将分配给美国国家科学基金会（NSF）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、商务部和能源部等机构。其中，商务部将获得分配100亿美元给州和地方区域的权力，以在美国各地建设多个“区域技术中心”。
为何值得中国警惕？用行政力量干扰国际半导体企业在华经营
“芯片法案”最值得关注的一项条款是，禁止获得联邦资金的公司在中国大幅增产先进制程芯片，期限为10年。违反禁令或未能修正违规状况的公司或将需要全额退还联邦补助款。
华泰证券发布的一份研报称，目前在中美都设有半导体厂的企业包括台积电（南京）、三星（西安）、海力士（大连），这些企业如果接受“芯片法案”的补助，可能会被限制在中国建造或扩大先进制程晶圆厂。此外，英特尔和美光也在中国拥有芯片封装和测试工厂。
据英国广播公司（BBC）报道，在过去一段时间中，所有美国设备制造商都收到美国商务部的信函，通知他们不要向中国供应用于14纳米或以下芯片制造的设备。美国芯片设备厂商泛林半导体主席兼CEO蒂姆·阿切尔在7月27日的财报会上表示，美国对华技术出口管制范围将进一步扩大至生产14纳米以下芯片的代工厂。
芯谋研究首席分析师顾文军对《环球时报》记者表示，“芯片法案”的规定与美国政府近几年来对中国半导体企业的一系列制裁结合起来，再一次说明美国将中国半导体视为竞争对手，着意打压中国半导体产业在先进技术领域的发展。
一名不具名的业内人士在接受《环球时报》记者采访时批评称，近年来，美国已采取种种手段打造排挤中国的半导体“小圈子”，而“芯片法案”中的“中国护栏”条款对中国乃至整个产业界都具有严重危害性。这名资深半导体行业专家说，这一条款使美国除在本国生产半导体外，只会找所谓“信得过”的国家开展合作，这或将打破全球半导体行业的分工与格局。未来，美国还可能变本加厉，“让哪个国家生产什么就生产什么”。
对于“芯片法案”中的相关内容，中国贸促会、中国国际商会10日发文表示反对。中国贸促会、中国国际商会认为，法案中的条款歧视性对待部分外国企业，凸显美意在动用政府力量强行改变半导体领域的国际分工格局，损害了包括中美企业在内的世界各国企业的利益。一方面，这是典型的专向性产业补贴，不符合世贸组织的非歧视原则；另一方面，法案将部分国家确定为重点针对和打击目标，导致企业被迫调整全球发展战略和布局。尤其是法案对“任何受关注的国家”界定宽泛，无限扩大了执法的自由裁量权，具有典型的泛政治化色彩，各国企业经营活动面临的不确定性大大增加。
顾文军认为，在美国一系列组合拳下，半导体传统市场化竞争模式将发生改变。半导体产业将从全球化、合作化、分工化向多区域化、多生态化、竞争化发展。在“芯片法案”等一系列措施下，国际企业扩张和发展逻辑将更多考虑政治因素，其次才是市场、效率和成本。
在“芯片法案”签署前后，多家美国半导体企业已宣布将在本土扩大投资。美光公司9日宣布，其将在2030年前投资400 亿美元在美国制造芯片，而这一行动将得到“芯片法案”的支持。路透社8日报道称，高通公司已同意从芯片制造商格芯的纽约工厂额外购买价值42亿美元的半导体芯片，从而使其到2028年的采购总额达到74亿美元。
顾文军表示，“芯片法案”意在加速建设本土半导体制造，一方面扶持本土现有制造龙头，另一方面吸引更多国际企业加大在美投资。这会分散国际企业在中国市场的投资，影响资金、人才等诸多方面，进而影响中国获取国际资源的能力。此前，国际企业在中国布局是产业链布局，现在可能仅把中国作为终端市场，限制性地销售某些特定产品。当中国在国际半导体企业布局中由研发和制造转向售后和服务，中国半导体产业所发挥的价值将下降，在全球半导体产业中的话语权也将降低。
中国现代国际关系研究院美国所副研究员李峥认为，“芯片法案”为美国提供了更多国际合作与谈判的筹码。在通过“芯片法案”后，美国可能还将加速构建所谓“芯片四方联盟”，以产业补贴和市场准入为筹码拉拢韩国、日本、中国台湾地区等相关方，形成美国半导体产业的“后院”。
有多大影响？美国难以达到夺回产业主导权目的
李峥对《环球时报》记者表示，尽管“芯片法案”将发挥一定作用，但是否能真正改变全球半导体格局还有待观察。他认为，“芯片法案”存在若干局限性，例如低估了芯片产业转移、再造的难度。
李峥表示，美市场人士预计，芯片法案所提供的500多亿美元资金仅能基本满足英特尔、三星和台积电的工厂建设，无法支持从上游至下游的整体产业链。其中一些关键的中小企业无法得到美“芯片法案”支持，所以也不会转移其布局。同时，美国明显低估了半导体产业链转移所需的人才、劳动力、物流、能源等必要支撑因素，美国在上述领域均存在显著不足，面临供需失调的矛盾。
有研究指出，美国建立完全自给自足的本地半导体供应链需要至少1万亿美元的前期投资，而“芯片法案”直接投向半导体制造领域的500多亿美元预算对整个行业而言可谓杯水车薪。台积电前发言人孙又文日前参加一场线上讨论会时就曾表示，“为建设产能所花的钱真的不是那么有意义。520亿美元真的不是很多钱，你只需看看台积电在一年内花费的资本支出，那520亿美元有什么用呢？”
包括美国学者在内的各方人士也对“芯片法案”真正能起到的作用表示怀疑。美国印第安纳大学副教授丹兹曼日前在《华盛顿邮报》撰文称，“芯片法案”是“昂贵的笨蛋”还是有效的创新催化剂，取决于项目管理，但其本身不太可能阻止美国公司继续在中国进行生产。
美国CNBC网站评论称，建立芯片工厂是一个漫长的过程，吸引新工厂所需的人才不是一蹴而就的。美国制造业中常见的法规、劳动力成本和其他障碍可能会进一步减缓美国公司生产本土芯片的过程和时间表。
李峥同时指出，美国也低估了半导体产业国际竞争与利益绑定的基本事实。当今全球半导体产业已与20世纪90年代的美日争霸有显著不同。由于芯片制造工艺更加复杂，半导体企业普遍采用跨国合作的方式发挥比较优势，降低生产成本。美国的“芯片法案”或“芯片四方联盟”不足以改变全球半导体产业高度分散、相互依赖的现实局面，因此也无法达到夺回半导体产业主导权的目的。
美国智库战略国际研究中心也分析认为，在复杂和高度依存的全球价值链中，美国和中国的半导体企业早已深度融合，要使供应链完全本地化，将付出巨大的经济和技术成本。因此，全球半导体行业完全“脱钩”是非常不切实际的。
据波士顿咨询公司等机构估计，如果华盛顿采取对华“技术硬脱钩”政策，可能会损害一些美国半导体企业的利益，这或将使它们丧失18%的全球市场份额和37%的收入，并减少1.5万个至4万个高技能工作岗位。换言之，“芯片法案”提供的补贴很可能无法弥补半导体企业将工厂从中国迁往美国的成本。（环球时报-环球网报道 记者 赵觉珵）
10日接受《环球时报》记者采访的业内人士表示，在美国已采取要求相关企业对中国禁售高端光刻机、向华为公司施加“芯片禁令”、组织“芯片四方联盟”围堵中国等措施后， “芯片法案”开启了美国“几十年来少有的产业政策支持”，在寻求重夺行业主导权的同时，限制和阻止半导体国际企业在中国大陆的既有制造能力和计划中的先进制造能力，进而将这些制造能力虹吸到美国，达到损人又利己的目的。
业内人士同时批评称，美国在“芯片法案”中加入“中国护栏”条款，让企业在中美产业政策中选边站队，制造了一国利用产业政策扰乱国际市场和全球供应链的危险先例。
法案说了什么？美政府豪掷527亿美元，大力补贴芯片研发制造
“美国发明了半导体。三十多年前，美国占全球芯片产量的 40%。后来，我们的经济支柱——制造业被掏空，半导体制造走向海外。”拜登9日在签署“芯片法案”时发表演讲称，“如今，这项法律将半导体（制造）带回了美国……在未来几十年中，我们将再次引领世界。”
正如拜登提到的，“芯片法案”的核心在于帮助美国重新获得在半导体制造领域的领先地位。行业数据显示，美国在全球半导体制造业中的份额从 1990 年的 37% 下降到 2020 年的 12%。同一时期，中国在该领域的份额从几乎为零上升到 15%。
《纽约时报》称，该法案融合了经济和国家安全政策的内容，主要包括两方面计划：一是向半导体行业提供约527亿美元的资金支持，并为企业提供价值240亿美元的投资税抵免，鼓励企业在美国研发和制造芯片；二是在未来几年提供约2000亿美元的科研经费支持，重点支持人工智能、机器人技术、量子计算等前沿科技。
根据美国国会发布的法案文件，“芯片法案”中对于2000多亿美元的投入有着详细的规划与时间表。根据法案规定，美国将成立四大基金，分享政府为半导体行业提供的527亿美元，其中500亿美元被拨给“美国芯片基金”，独占总金额的约95%份额。法案要求，“美国芯片基金”的资金将用于旨在发展美国国内制造能力的半导体激励计划以及研发和劳动力发展计划。
半导体激励计划是“美国芯片基金”在2022至2026财年的重中之重，该计划将花费390亿美元以支持芯片制造业的发展。2022财年，半导体激励计划投资190亿美元，此后每财年投入50亿美元。此外，法案还将为相关企业提供25%的投资税收抵免。同时，法案明确了在2022财年将20亿美元用于传统成熟制程芯片的生产。
除半导体激励计划外，研发和劳动力发展计划也将获得“美国芯片基金”110亿美元的支持，在未来五年内投向国家半导体技术中心(NSTC)、国家先进封装制造计划以及其他研发和劳动力发展项目。
在527亿美元的预算中，“美国国防芯片基金”将获得20亿美元；“美国芯片国际技术安全与创新基金”将获得5亿美元，用以加强与外国政府合作伙伴的协调沟通；“美国芯片劳动力和教育基金”将获得2亿美元，主要用于相关人才培养。
而约2000亿美元的科研经费支持则将分配给美国国家科学基金会（NSF）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、商务部和能源部等机构。其中，商务部将获得分配100亿美元给州和地方区域的权力，以在美国各地建设多个“区域技术中心”。
为何值得中国警惕？用行政力量干扰国际半导体企业在华经营
“芯片法案”最值得关注的一项条款是，禁止获得联邦资金的公司在中国大幅增产先进制程芯片，期限为10年。违反禁令或未能修正违规状况的公司或将需要全额退还联邦补助款。
华泰证券发布的一份研报称，目前在中美都设有半导体厂的企业包括台积电（南京）、三星（西安）、海力士（大连），这些企业如果接受“芯片法案”的补助，可能会被限制在中国建造或扩大先进制程晶圆厂。此外，英特尔和美光也在中国拥有芯片封装和测试工厂。
据英国广播公司（BBC）报道，在过去一段时间中，所有美国设备制造商都收到美国商务部的信函，通知他们不要向中国供应用于14纳米或以下芯片制造的设备。美国芯片设备厂商泛林半导体主席兼CEO蒂姆·阿切尔在7月27日的财报会上表示，美国对华技术出口管制范围将进一步扩大至生产14纳米以下芯片的代工厂。
芯谋研究首席分析师顾文军对《环球时报》记者表示，“芯片法案”的规定与美国政府近几年来对中国半导体企业的一系列制裁结合起来，再一次说明美国将中国半导体视为竞争对手，着意打压中国半导体产业在先进技术领域的发展。
一名不具名的业内人士在接受《环球时报》记者采访时批评称，近年来，美国已采取种种手段打造排挤中国的半导体“小圈子”，而“芯片法案”中的“中国护栏”条款对中国乃至整个产业界都具有严重危害性。这名资深半导体行业专家说，这一条款使美国除在本国生产半导体外，只会找所谓“信得过”的国家开展合作，这或将打破全球半导体行业的分工与格局。未来，美国还可能变本加厉，“让哪个国家生产什么就生产什么”。
对于“芯片法案”中的相关内容，中国贸促会、中国国际商会10日发文表示反对。中国贸促会、中国国际商会认为，法案中的条款歧视性对待部分外国企业，凸显美意在动用政府力量强行改变半导体领域的国际分工格局，损害了包括中美企业在内的世界各国企业的利益。一方面，这是典型的专向性产业补贴，不符合世贸组织的非歧视原则；另一方面，法案将部分国家确定为重点针对和打击目标，导致企业被迫调整全球发展战略和布局。尤其是法案对“任何受关注的国家”界定宽泛，无限扩大了执法的自由裁量权，具有典型的泛政治化色彩，各国企业经营活动面临的不确定性大大增加。
顾文军认为，在美国一系列组合拳下，半导体传统市场化竞争模式将发生改变。半导体产业将从全球化、合作化、分工化向多区域化、多生态化、竞争化发展。在“芯片法案”等一系列措施下，国际企业扩张和发展逻辑将更多考虑政治因素，其次才是市场、效率和成本。
在“芯片法案”签署前后，多家美国半导体企业已宣布将在本土扩大投资。美光公司9日宣布，其将在2030年前投资400 亿美元在美国制造芯片，而这一行动将得到“芯片法案”的支持。路透社8日报道称，高通公司已同意从芯片制造商格芯的纽约工厂额外购买价值42亿美元的半导体芯片，从而使其到2028年的采购总额达到74亿美元。
顾文军表示，“芯片法案”意在加速建设本土半导体制造，一方面扶持本土现有制造龙头，另一方面吸引更多国际企业加大在美投资。这会分散国际企业在中国市场的投资，影响资金、人才等诸多方面，进而影响中国获取国际资源的能力。此前，国际企业在中国布局是产业链布局，现在可能仅把中国作为终端市场，限制性地销售某些特定产品。当中国在国际半导体企业布局中由研发和制造转向售后和服务，中国半导体产业所发挥的价值将下降，在全球半导体产业中的话语权也将降低。
中国现代国际关系研究院美国所副研究员李峥认为，“芯片法案”为美国提供了更多国际合作与谈判的筹码。在通过“芯片法案”后，美国可能还将加速构建所谓“芯片四方联盟”，以产业补贴和市场准入为筹码拉拢韩国、日本、中国台湾地区等相关方，形成美国半导体产业的“后院”。
有多大影响？美国难以达到夺回产业主导权目的
李峥对《环球时报》记者表示，尽管“芯片法案”将发挥一定作用，但是否能真正改变全球半导体格局还有待观察。他认为，“芯片法案”存在若干局限性，例如低估了芯片产业转移、再造的难度。
李峥表示，美市场人士预计，芯片法案所提供的500多亿美元资金仅能基本满足英特尔、三星和台积电的工厂建设，无法支持从上游至下游的整体产业链。其中一些关键的中小企业无法得到美“芯片法案”支持，所以也不会转移其布局。同时，美国明显低估了半导体产业链转移所需的人才、劳动力、物流、能源等必要支撑因素，美国在上述领域均存在显著不足，面临供需失调的矛盾。
有研究指出，美国建立完全自给自足的本地半导体供应链需要至少1万亿美元的前期投资，而“芯片法案”直接投向半导体制造领域的500多亿美元预算对整个行业而言可谓杯水车薪。台积电前发言人孙又文日前参加一场线上讨论会时就曾表示，“为建设产能所花的钱真的不是那么有意义。520亿美元真的不是很多钱，你只需看看台积电在一年内花费的资本支出，那520亿美元有什么用呢？”
包括美国学者在内的各方人士也对“芯片法案”真正能起到的作用表示怀疑。美国印第安纳大学副教授丹兹曼日前在《华盛顿邮报》撰文称，“芯片法案”是“昂贵的笨蛋”还是有效的创新催化剂，取决于项目管理，但其本身不太可能阻止美国公司继续在中国进行生产。
美国CNBC网站评论称，建立芯片工厂是一个漫长的过程，吸引新工厂所需的人才不是一蹴而就的。美国制造业中常见的法规、劳动力成本和其他障碍可能会进一步减缓美国公司生产本土芯片的过程和时间表。
李峥同时指出，美国也低估了半导体产业国际竞争与利益绑定的基本事实。当今全球半导体产业已与20世纪90年代的美日争霸有显著不同。由于芯片制造工艺更加复杂，半导体企业普遍采用跨国合作的方式发挥比较优势，降低生产成本。美国的“芯片法案”或“芯片四方联盟”不足以改变全球半导体产业高度分散、相互依赖的现实局面，因此也无法达到夺回半导体产业主导权的目的。
美国智库战略国际研究中心也分析认为，在复杂和高度依存的全球价值链中，美国和中国的半导体企业早已深度融合，要使供应链完全本地化，将付出巨大的经济和技术成本。因此，全球半导体行业完全“脱钩”是非常不切实际的。
据波士顿咨询公司等机构估计，如果华盛顿采取对华“技术硬脱钩”政策，可能会损害一些美国半导体企业的利益，这或将使它们丧失18%的全球市场份额和37%的收入，并减少1.5万个至4万个高技能工作岗位。换言之，“芯片法案”提供的补贴很可能无法弥补半导体企业将工厂从中国迁往美国的成本。（环球时报-环球网报道 记者 赵觉珵）
【科学家解密光合作用“椅子魔术”关键一环】日前，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成实验室在探索这一未解之谜的过程中取得阶段性进展。他们利用超级计算机和量子力学理论，揭示了天然光合作用中O-O键产生前的化学催化过程。研究成果https://t.cn/A6aHjySG以《O-O键形成之前自然界水氧化催化剂的可逆异构化》为题发表在《美国化学会志》上。
目前已经探明，光合作用经过光反应和暗反应两个阶段。简单来说，光反应阶段产生氧气，并释放出电子和质子，为接下来的暗反应准备好ATP、NADPH这样的能量载体或辅酶。而接下来暗反应阶段，主角就是著名的卡尔文循环——如同一个世界上最小的能量转换工厂，把空气中的二氧化碳固定成有机物，再聚合成粮食。
孙立成团队的研究涉及光反应阶段水分解的核心催化剂：锰簇。它由锰钙氧Mn4CaOx（x代表了氧原子的数量变化）构成，形状看上去像一把扭曲的椅子，但正是这种扭曲的结构，可能预示着它的不稳定性，容易和水发生作用。
神奇的是，锰簇催化剂需要经历大致5个状态（即S0、S1、S2、S3、S4态，“0-4”代表锰簇的氧化态从低到高）的变化，才能最终创造氧气，这就如同大自然设置了一套非常严格的密码装置，有条不紊地实现其功能。锰簇在S4态释放出氧气后，再回到S0态，整个过程称为“S态循环”，实现水的催化氧化。
这是一把变化莫测的椅子。科学界目前已经证实的是，S1态和S2态存在开立方和闭立方两种异构体，可以相互转化；在S3态，只能由闭立方向开立方转变。而目前科学家对“最关键一步”S4态的结构依然不甚了解。
这一次，孙立成团队通过庞大而复杂的计算，预测锰簇在S3态到S4态过渡时，也就是在S3Yz●（Yz●代表酪氨酸自由基）态时存在可逆异构化过程。这相当于揭开了“终极奥秘”S4态之前的一层面纱，它和S4态在时间上紧密衔接，可能构成了氧气形成的决速步骤，也对O-O键形成的机理产生重要影响。
这项研究首次发现，S3态锰簇被高度抑制的互变异构将在紧随其后的S3Yz●态完全恢复，这得益于酪氨酸自由基Yz●形成后锰离子的一个配体水分子的去质子化过程。该质子的释放能够改变锰离子和配体之间的配位强度，促进了闭立方结构的产生，并与开立方结构处于可逆互变异构的动态化学平衡。
对于S0、S1、S2和S3态，人们可以通过X射线自由电子激光技术捕获其形态，但仍无法准确涉及对于S3Yz●态这样的瞬时状态，而目前量子力学计算模拟的方法能够很好地预测该状态锰簇结构变化的信息。孙立成团队通过密度泛函理论（DFT）计算获得了这一预测。
孙立成团队研究发现的O-O键形成之前催化剂结构变化的奥秘，为进一步揭开天然光合作用水氧化机理的最后一层神秘面纱做了铺垫。同时，该研究也对人工光合作用高效水氧化催化剂的设计、合成提供了新的思路，对构建更加高效的人工光合作用制备太阳能燃料体系，如水分解制备绿氢，二氧化碳还原制备甲醇，氮气还原制备液氨等具有指导意义，为最终实现“碳达峰碳中和”提供可能的方向。https://t.cn/A6aHjyS4
目前已经探明，光合作用经过光反应和暗反应两个阶段。简单来说，光反应阶段产生氧气，并释放出电子和质子，为接下来的暗反应准备好ATP、NADPH这样的能量载体或辅酶。而接下来暗反应阶段，主角就是著名的卡尔文循环——如同一个世界上最小的能量转换工厂，把空气中的二氧化碳固定成有机物，再聚合成粮食。
孙立成团队的研究涉及光反应阶段水分解的核心催化剂：锰簇。它由锰钙氧Mn4CaOx（x代表了氧原子的数量变化）构成，形状看上去像一把扭曲的椅子，但正是这种扭曲的结构，可能预示着它的不稳定性，容易和水发生作用。
神奇的是，锰簇催化剂需要经历大致5个状态（即S0、S1、S2、S3、S4态，“0-4”代表锰簇的氧化态从低到高）的变化，才能最终创造氧气，这就如同大自然设置了一套非常严格的密码装置，有条不紊地实现其功能。锰簇在S4态释放出氧气后，再回到S0态，整个过程称为“S态循环”，实现水的催化氧化。
这是一把变化莫测的椅子。科学界目前已经证实的是，S1态和S2态存在开立方和闭立方两种异构体，可以相互转化；在S3态，只能由闭立方向开立方转变。而目前科学家对“最关键一步”S4态的结构依然不甚了解。
这一次，孙立成团队通过庞大而复杂的计算，预测锰簇在S3态到S4态过渡时，也就是在S3Yz●（Yz●代表酪氨酸自由基）态时存在可逆异构化过程。这相当于揭开了“终极奥秘”S4态之前的一层面纱，它和S4态在时间上紧密衔接，可能构成了氧气形成的决速步骤，也对O-O键形成的机理产生重要影响。
这项研究首次发现，S3态锰簇被高度抑制的互变异构将在紧随其后的S3Yz●态完全恢复，这得益于酪氨酸自由基Yz●形成后锰离子的一个配体水分子的去质子化过程。该质子的释放能够改变锰离子和配体之间的配位强度，促进了闭立方结构的产生，并与开立方结构处于可逆互变异构的动态化学平衡。
对于S0、S1、S2和S3态，人们可以通过X射线自由电子激光技术捕获其形态，但仍无法准确涉及对于S3Yz●态这样的瞬时状态，而目前量子力学计算模拟的方法能够很好地预测该状态锰簇结构变化的信息。孙立成团队通过密度泛函理论（DFT）计算获得了这一预测。
孙立成团队研究发现的O-O键形成之前催化剂结构变化的奥秘，为进一步揭开天然光合作用水氧化机理的最后一层神秘面纱做了铺垫。同时，该研究也对人工光合作用高效水氧化催化剂的设计、合成提供了新的思路，对构建更加高效的人工光合作用制备太阳能燃料体系，如水分解制备绿氢，二氧化碳还原制备甲醇，氮气还原制备液氨等具有指导意义，为最终实现“碳达峰碳中和”提供可能的方向。https://t.cn/A6aHjyS4
【科学家解密光合作用“椅子魔术”关键一环】日前，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成实验室在探索这一未解之谜的过程中取得阶段性进展。他们利用超级计算机和量子力学理论，揭示了天然光合作用中O-O键产生前的化学催化过程。研究成果https://t.cn/A6aHjySG以《O-O键形成之前自然界水氧化催化剂的可逆异构化》为题发表在《美国化学会志》上。
目前已经探明，光合作用经过光反应和暗反应两个阶段。简单来说，光反应阶段产生氧气，并释放出电子和质子，为接下来的暗反应准备好ATP、NADPH这样的能量载体或辅酶。而接下来暗反应阶段，主角就是著名的卡尔文循环——如同一个世界上最小的能量转换工厂，把空气中的二氧化碳固定成有机物，再聚合成粮食。
孙立成团队的研究涉及光反应阶段水分解的核心催化剂：锰簇。它由锰钙氧Mn4CaOx（x代表了氧原子的数量变化）构成，形状看上去像一把扭曲的椅子，但正是这种扭曲的结构，可能预示着它的不稳定性，容易和水发生作用。
神奇的是，锰簇催化剂需要经历大致5个状态（即S0、S1、S2、S3、S4态，“0-4”代表锰簇的氧化态从低到高）的变化，才能最终创造氧气，这就如同大自然设置了一套非常严格的密码装置，有条不紊地实现其功能。锰簇在S4态释放出氧气后，再回到S0态，整个过程称为“S态循环”，实现水的催化氧化。
这是一把变化莫测的椅子。科学界目前已经证实的是，S1态和S2态存在开立方和闭立方两种异构体，可以相互转化；在S3态，只能由闭立方向开立方转变。而目前科学家对“最关键一步”S4态的结构依然不甚了解。
这一次，孙立成团队通过庞大而复杂的计算，预测锰簇在S3态到S4态过渡时，也就是在S3Yz●（Yz●代表酪氨酸自由基）态时存在可逆异构化过程。这相当于揭开了“终极奥秘”S4态之前的一层面纱，它和S4态在时间上紧密衔接，可能构成了氧气形成的决速步骤，也对O-O键形成的机理产生重要影响。
这项研究首次发现，S3态锰簇被高度抑制的互变异构将在紧随其后的S3Yz●态完全恢复，这得益于酪氨酸自由基Yz●形成后锰离子的一个配体水分子的去质子化过程。该质子的释放能够改变锰离子和配体之间的配位强度，促进了闭立方结构的产生，并与开立方结构处于可逆互变异构的动态化学平衡。
对于S0、S1、S2和S3态，人们可以通过X射线自由电子激光技术捕获其形态，但仍无法准确涉及对于S3Yz●态这样的瞬时状态，而目前量子力学计算模拟的方法能够很好地预测该状态锰簇结构变化的信息。孙立成团队通过密度泛函理论（DFT）计算获得了这一预测。
孙立成团队研究发现的O-O键形成之前催化剂结构变化的奥秘，为进一步揭开天然光合作用水氧化机理的最后一层神秘面纱做了铺垫。同时，该研究也对人工光合作用高效水氧化催化剂的设计、合成提供了新的思路，对构建更加高效的人工光合作用制备太阳能燃料体系，如水分解制备绿氢，二氧化碳还原制备甲醇，氮气还原制备液氨等具有指导意义，为最终实现“碳达峰碳中和”提供可能的方向。https://t.cn/A6aHjyS4
目前已经探明，光合作用经过光反应和暗反应两个阶段。简单来说，光反应阶段产生氧气，并释放出电子和质子，为接下来的暗反应准备好ATP、NADPH这样的能量载体或辅酶。而接下来暗反应阶段，主角就是著名的卡尔文循环——如同一个世界上最小的能量转换工厂，把空气中的二氧化碳固定成有机物，再聚合成粮食。
孙立成团队的研究涉及光反应阶段水分解的核心催化剂：锰簇。它由锰钙氧Mn4CaOx（x代表了氧原子的数量变化）构成，形状看上去像一把扭曲的椅子，但正是这种扭曲的结构，可能预示着它的不稳定性，容易和水发生作用。
神奇的是，锰簇催化剂需要经历大致5个状态（即S0、S1、S2、S3、S4态，“0-4”代表锰簇的氧化态从低到高）的变化，才能最终创造氧气，这就如同大自然设置了一套非常严格的密码装置，有条不紊地实现其功能。锰簇在S4态释放出氧气后，再回到S0态，整个过程称为“S态循环”，实现水的催化氧化。
这是一把变化莫测的椅子。科学界目前已经证实的是，S1态和S2态存在开立方和闭立方两种异构体，可以相互转化；在S3态，只能由闭立方向开立方转变。而目前科学家对“最关键一步”S4态的结构依然不甚了解。
这一次，孙立成团队通过庞大而复杂的计算，预测锰簇在S3态到S4态过渡时，也就是在S3Yz●（Yz●代表酪氨酸自由基）态时存在可逆异构化过程。这相当于揭开了“终极奥秘”S4态之前的一层面纱，它和S4态在时间上紧密衔接，可能构成了氧气形成的决速步骤，也对O-O键形成的机理产生重要影响。
这项研究首次发现，S3态锰簇被高度抑制的互变异构将在紧随其后的S3Yz●态完全恢复，这得益于酪氨酸自由基Yz●形成后锰离子的一个配体水分子的去质子化过程。该质子的释放能够改变锰离子和配体之间的配位强度，促进了闭立方结构的产生，并与开立方结构处于可逆互变异构的动态化学平衡。
对于S0、S1、S2和S3态，人们可以通过X射线自由电子激光技术捕获其形态，但仍无法准确涉及对于S3Yz●态这样的瞬时状态，而目前量子力学计算模拟的方法能够很好地预测该状态锰簇结构变化的信息。孙立成团队通过密度泛函理论（DFT）计算获得了这一预测。
孙立成团队研究发现的O-O键形成之前催化剂结构变化的奥秘，为进一步揭开天然光合作用水氧化机理的最后一层神秘面纱做了铺垫。同时，该研究也对人工光合作用高效水氧化催化剂的设计、合成提供了新的思路，对构建更加高效的人工光合作用制备太阳能燃料体系，如水分解制备绿氢，二氧化碳还原制备甲醇，氮气还原制备液氨等具有指导意义，为最终实现“碳达峰碳中和”提供可能的方向。https://t.cn/A6aHjyS4
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