“十五”第二批国家自然科学基金重大项目申请指南

“十五”第二批国家自然科学基金重大项目申请指南一、核技术在分子水平上研究典型环境污染物的毒理环境问题已成为全球共同关注的一个热点，亦是我国经济和社会可持续发展面临的主要问题之一。其中的一个关键问题则是对环境污染物的科学的危险性评价，即在种群、个体、器官、细胞乃至分子水平上对环境污染物的科学评价。这种评价的基础是环境毒理学，尤其是分子水平上的环境毒理学研究。核技术由于其高灵敏度、高准确度、高分辨率、多元素分析能力等特点，更由于核技术可区分生物体中的内源性物质和外源性物质，因此在环境污染物的吸收、分布、代谢和排泄的研究，尤其是分子毒理机制研究中常可起到独特的作用。此外，这类毒理学研究需要多种先进核技术的联合应用。在研究环境污染物的过程中，进一步发展有关的核技术。本项目拟重点研究环境毒理学领域中一些具有重要科学意义和社会效益，但尚未解决的典型问题：如汞与脑组织中生长抑制因子结合及其与神经系统中毒的关系，稀土是否进入脑组织及其与认知功能的关系，低剂量的有机化合物甲基叔丁基醚（MTBE）（无铅汽油的含氧添加剂）等的基因毒性，大气中可吸入颗粒物的重金属和有机卤族污染物的毒性，以及碳纳米材料在生物体中的分布和分子毒理等。这些科学问题都具有典型性，既属国际前沿，有创新性和前瞻性，又符合我国国情。研究目标:用先进核技术在分子水平上重点研究我国典型的环境污染物（重金属、大气细颗粒物、有机物等）的毒理作用机制和科学的、定量的危险性评价，以及新型碳纳米材料的毒理。瞄准当前国际环境科学发展动向，结合我国解决实际环境问题的重要需求，为我国有关的环境治理和决策提供科学依据。主要研究方向:1.金属的毒理研究。用分子-中子活化分析等核技术研究汞与生长抑制因子（MT-III）的结合和稀土是否进入脑组织及其作用于中枢神经系统的机理。2.可吸入大气颗粒物的细胞毒理研究。用扫描质子微探针等核技术研究PM10和PM2.5中重金属和有机卤族污染物对肺和呼吸道以及细胞的毒理。3.环境低毒有机物的毒理研究。用加速器质谱法研究MTBE、甲酸等的基因毒性和蛋白质毒性及其反应机制。4.新型碳纳米材料的细胞和分子毒理研究。用多种核技术研究富勒烯和碳纳米管的放射性标记和在生物体内的吸收、分布、代谢、排泄和分子毒理。5.发展用于分子水平环境毒理学研究的核技术。重点发展分子-中子活化分析技术、加速器质谱技术和基于核微探针的全元素分析等先进核技术方法。研究期限：4年拟资助经费：800万元本领域由数理科学部、化学科学部联合提出，由数理科学部受理申请。二、与人类健康相关的蛋白质结构和医学成像的同步辐射研究同步辐射光源以其特有的高亮度、高准直性、良好的相干特性、以及从远红外到硬X射线范围的连续光谱等性质，已被广泛用于生命科学、环境科学和凝聚态物理等领域，成为当今世界上生命科学及医药科学研究不可缺少的手段，对于了解蛋白质与疾病的关系以及开展基于蛋白质三维结构的分子和药物设计起着关键性作用。活体结构和功能成像技术对医学诊断和治疗水平的提高具有十分重要的意义。目前的医学成像技术其空间分辨率只能达到毫米数量级和亚毫米数量级，对软组织的衬度分辨率较低。利用同步辐射光源进行医学成像研究，如X射线相位衬度成像，由于具有较强的穿透性、较高的空间分辨率和好的相干性，不仅可以对软组织及细胞内部结构进行观察，而且适合于活体和整体观察，其衬度分辨率比常规X射线吸收的密度分辨率高出1000倍。对一些小的活体动物进行整体断面成像观察，其精度可达到在活体中整体观察显微组织结构和活细胞的水平。这将是生物医学成像技术的重大创新和突破。本项目拟通过物理学、生物学和医学等领域专家的结合，基于我国的同步辐射装置，发展具有我国特色和创新的实验方法，研究与人类健康相关的蛋白质结构和医学成像，推动我国同步辐射在生物和医学中的应用研究，为今后我国在第三代同步辐射装置上建立生物大分子结构与功能研究平台打下坚实的基础。科学目标：1.建立和完善稳定运行的研究生物大分子结构的同步辐射大型综合实验研究平台，主要用于蛋白质晶体结构测定，同时具有研究蛋白质局域精细结构的能力。发展具有我国特色和创新的实验方法，提高我国同步辐射光束线的性能，为今后我国在第三代同步辐射装置上建立生物大分子结构与功能研究平台打下坚实的基础。2.测定在生命活动中具有重要生物学功能、与人类健康关系密切的若干蛋白质晶体结构，结合局域精细结构和功能研究，阐明其作用机理，了解其与疾病发生的关系，提出药物设计方案。3.建立我国高分辨硬X射线相位衬度成像实验平台，研究三维硬X射线相位衬度成像显微CT原理、技术和方法。为生物医学形态学研究提供一个动态显微观察的新方法及新手段，为将来研制应用于人体诊断的X射线相位衬度显微CT的原理与可行性奠定理论及技术基础。主要研究方向：1.与人类健康相关的蛋白质结构同步辐射研究利用各种晶体学方法研究与重大疾病相关的蛋白、抗菌药物靶蛋白和环境污染物分解酶等蛋白质的晶体结构及其三维结构与功能关系。利用X射线吸收谱学研究一些金属蛋白的局域精细结构，了解金属离子局域结构的精细变化对蛋白质功能的影响。为相关药物设计和环境污染的生物治理提供结构基础。2.同步辐射X射线医学成像技术的发展及应用a)X射线相衬显微CT技术和方法的研究发展我国微米级分辨的硬X射线（8～25KeV）相位衬度透射及衍射成像实验装置，获得二维直观、清晰的相位衬度成像；研发三维硬X射线相位衬度成像显微CT技术，包括成像原理、自动曝光系统、基于斜切晶体非对称Bragg衍射的X射线显微系统，以及适合显微CT及衍射相位成像的探测器系统等；研究三维相位衬度CT图像重建算法及原理，建立一套相位衬度CT的图像重建软件。b)X射线相衬显微CT在医学应用中的研究利用和发展现有的同步辐射硬X射线相位成像技术，对一些影响人类健康的重要疾病进行动物活体的高分辨率动态研究，使疾病的防治和诊断方法提高到一个新的水平，并促进三维相位衬度CT技术的发展。例如：动脉硬化的病理过程；肿瘤的生长与血管新生；肝纤维化和肝硬化过程的实验研究等。3.实验方法和理论模型的发展提高光束的准直性和空间相干性，发展实际样品相位衬度成像的原理和方法；发展非Muffin-tin近似和基于第一原理的理论，建立分析不能结晶的蛋白质溶液的X射线吸收精细结构计算模型和方法；解位相直接法的应用研究；发展适用于低能区的XANES和中高能区的EXAFS新的计算机软件。研究期限：4年拟资助经费：800万元本领域由数理科学部、生命科学部和信息科学部联合提出，由数理科学部受理申请。三、分子固体材料的控制合成及功能性质研究分子固体是指以分子为结构单元，通过配位共价键和非共价键作用，如氢键、p-p键、静电作用、范德华力等弱相互作用而构筑的固态物质。分子固体材料的合成和性质研究是一个跨学科的前沿研究领域。本项目拟以分子固体的控制合成方法研究为基础，通过不同的相互作用和反应条件控制合成具有不同组成、结构和形态的分子固体，研究分子固体的组装、复合和稳定性等规律及其对功能性质的影响。利用理论化学和凝聚态物理的方法，研究其功能的来源和机理等基础科学问题，发现和认识新型功能材料体系，为凝聚态物理、材料科学、信息科学和技术的研究和发展提供新的物质基础。科学目标：1.研究配体与金属离子间的成键及分子单元间的弱相互作用规律，建立具有特殊价态和电子自旋态、特定晶体结构和复合形式的分子固体材料的高效、可控的合成方法。2.开展对分子固体磁性及其它功能性质的基础理论研究，为材料科学、信息科学等相关学科的重要基础问题研究提供模型体系。3.利用分子固体材料可裁剪、易调控、便于复合的特点，改善分子固体材料的稳定性，开发其在磁性、导电、发光及非中心对称等功能材料和器件中的应用。4.将性能表征和机理研究相结合，初步揭示不同尺度(分子、团簇、纳米和亚微米等)、不同形貌和形态(介孔和微孔、颗粒、薄膜)分子固体材料的形成规律和功能特性，为开发功能材料和器件提供理论依据。主要研究方向：1.研究超临界与亚临界、仿生合成和其它非常规合成方法在分子固体材料制备中的应用，发展具有特殊磁、电、光等性质及其复合功能分子固体的新型、高效和可控合成与制备方法。2.在合成与制备方法研究的基础上，结合材料科学、凝聚态物理等领域的研究手段和理论基础，着重研究磁分子固体，特别是低维磁分子材料及其量子行为，磁性分子单元与具有导电或发光特性的分子单元间的组装和复合，分子固体材料的功能来源和不同功能间的相互关联规律及机理。3.从晶体工程和超分子组装原理出发，利用分子固体材料的可裁剪、易调控性，开展分子固体材料的可控构筑研究，制备体相和薄膜分子固体材料，研究不同情况下分子成键特点和化学反应机理，调控和优化这些材料的物理化学性能，改善分子固体材料的稳定性，探索其在自旋电子学、导电和发光等功能材料和器件中的应用。4.运用现代表征技术，开展分子固体形成过程、结构和性能关系、表面和界面相互作用及其规律的研究。发展分子固体的电子态理论，借助分子动力学、分子轨道理论和密度泛函等理论对与材料结构和性能相关的问题进行解析和模拟，指导材料的设计、合成及优化，探索分子固体材料在不同制备条件、不同结构和状态下的功能特性及其变化规律。研究期限：4年拟资助经费：800万元本领域由化学科学部、工程与材料科学部和数理科学部联合提出，由化学科学部受理申请。四、聚合物凝聚态的多尺度连贯研究聚合物的基本特征是链式结构，因而具有其它材料所没有的标度性，是最典型的多尺度体系。聚合物的多尺度包括空间尺度，即从单分子到最终的成型材料，也包括时间尺度，即跨越了一、二十个数量级的松弛时间谱。从单分子设计一路贯通地到材料加工这样一个跨接多个尺度的科学问题，是一个具有前瞻性、挑战性的课题，同时也是高分子科学、凝聚态物理、材料科学和计算数学等新的学科交叉点和生长点，具有重要的科学意义和应用前景。目前在不同的尺度上都有一些相对成熟的理论体系和模拟方法，但无论是理论、模拟上还是实验上，迄今为止还没有一个较为成熟的方法，可以把不同的尺度贯穿起来。本项目旨在发展现有的理论和模拟方法，特别是利用实验去填补由于理论和模拟上的局限性造成的不同尺度间的断层，实现衔接。科学目标：解决各个尺度上遗留的困难，如高阶涨落问题、非线性效应问题、流场中的本构方程问题等；发展和建立不同尺度间的衔接方法，即从微观到介观的衔接、从介观到宏观的衔接、从宏观到材料设计、加工间的衔接，研究界面相问题等。切实与国际保持同步，并在一些方面取得领先地位。在这一研究过程中，将发展一系列理论、模拟方法，完善相应实验表征手段；最终的目标，是建立从单分子设计到聚合物材料加工的一致贯穿的平台，以期对聚合物材料的设计、加工、应用给出理论上的指导。主要研究方向：1.以典型的聚合物体系为例，建立和完善微观、介观、宏观尺度上的理论和模拟，尤其是超越平均场近似的理论体系、远离平衡态时的非线性非平衡态热力学、分相存在时的本构方程等；同时建立相应的实验-理论／模拟反馈平台。2.建立从微观到宏观的衔接。由小到大做粗粒化近似，建立理论／模拟上不同尺度之间的输入、输出接口；发展和建立实验方法，实现微观与介观、介观与宏观过渡区的在线观测，用实验结果来填补不同尺度间理论、模拟上的断层。3.建立从宏观到微观的衔接。由大到小做细粒化，实现从宏观到介观、再到微观的逆向衔接；体现在加工问题上，要能从构件来反推出微观或介观的结构、形貌及化学环境。4.界面相的衔接与关联以及流场中的本构方程问题。寻求普遍性规律来研究过渡层中的界面相问题；建立非线性非平衡态热力学理论与本构方程的结合；建立包含高分子内部自由度以及非连续相颗粒尺寸可变时的本构方程；发展聚合物体系的新的有限元方法。5.对弹性共混体系进行相应的多尺度理论、模拟、实验研究。参比实验结果对理论预测结果进行反馈与校正，以调整预测与结果的偏差。6.对聚烯烃共混体系进行相应多尺度的理论、模拟、实验研究。建立预测－实验反馈机制，实现全尺度材料设计上的突破。研究期限：4年拟资助经费：800万元本领域由化学科学部、数理科学部和工程与材料科学部