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六、基础研究
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六、基础研究

(一)科学前沿领域取得的原创性成果
  1.纳米科学、生命科学、信息科学、地球科学、数学、物理学和化学等学科的若干领域在SCIENCE、NATURE及相关学科一流杂志发表了系列重要论文,在国际上占据了重要的一席之地。

  非线性光学晶体、量子信息和通信、超强超短激光研究居国际前列;纳米材料和纳米结构、蛋白质结构与功能、脑与认知、动物克隆、创造新物质的分子工程学、古生物学、海洋科学等领域取得系列创新成果,整体研究水平显著提高,在国际上产生重要影响;数学机械化、辛几何算法等方面保持我国特色和优势。

  2.非线性光学晶体研究保持国际领先地位

  在紫外和深紫外非线性光学晶体的设计、生长和原型激光器的研制等方面取得了创新成果。成功地生长出20×10×1.8mm3全透明的KBBF单晶,突破了以往该晶体的厚度始终未能超过1mm的极限;在国际上首次提出KBBF棱镜耦合技术,实现了深紫外200nm-193nm的激光有效输出,从而跃过了实现深紫外倍频光输出的技术门槛,向第四代光源的实现迈出了重要的一步,将对未来光电子产业竞争产生深远影响。

  3.量子信息和通信研究取得了一批有国际影响的重要创新成果

  多粒子纠缠态的制备与操纵研究方面,在国际上首次实现了五粒子纠缠态的制备与操纵,并利用五光子纠缠源在实验上演示了“终端开放”的量子态隐形传输,被美国物理学会和欧洲物理学会同时评选为2004年度国际物理学十大进展之一。在量子密钥分配方面,设计了一种具有良好单向传输稳定性的量子密钥分配实验方案,实现了150公里的室内量子密钥分配实验;利用实际通信光缆,实现了从北京经河北香河到天津长度125公里的量子密钥分配。

  4.超强超短激光研究居世界前列

  在CPA新一代超强超短激光新原理、新方法的开拓及小型化OPCPA超强超短激光系统的集成创新取得重大进展,实现了3.67TW的输出功率,并研制成功具有高光束质量和国际一流水平整体性能的CPA超强超短激光装置;在此基础上,首次在实验上观测到高次谐波谱双峰分裂新现象,提出利用原子系统的量子相干控制产生高强度相关原子束的新机制,建立了强场相互作用的非微扰量子电动力学理论模型与计算方法,并应用于解释和预言强场激光物理实验现象。

  5.纳米材料和纳米结构研究取得系列创新成果,居于国际前沿

  纳米碳管研究方面,利用模板和有机物催化热解法相结合制备单壁纳米碳管的技术,被国外同行认为是目前碳纳米管四种主要制备方法之一。用同位素标记方法探明了碳纳米管的生长过程,采用二次放电法制备出超细碳纳米管,利用超顺碳纳米管阵列拉制出碳纳米管线,发展了浮动催化法制备双壁纳米管、醇热还原法宏量制备碳纳米管等制备方法。在GaN单晶一维纳米丝有序阵列的制备等方面,研制成功芯部为GaN、外层为BN、直径为50nm的同轴纳米电缆,并利用单壁碳纳米管组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针,在国际上产生了重要影响。碳纳米管灯丝的偏振白炽光谱方面的工作为纳米碳管在照明领域的应用开辟了一条新途径。发现块体纳米铜的超延展性,其变形过程主要由晶界行为所控制而并非是传统的晶格位错行为;发现孪晶界面诱导纳米铜的高强度和高导电性特性,表明通过纳米尺度上的结构设计可以优化材料性能。提出了二元协同产生超双疏性能的新原理,设计合成了具有仿生超双疏功能的界面结构材料,发现温场和光场控制的超疏水/超亲水可逆转变的“开关效应”。采取低温生长方法成功地在硅单晶衬底上制备出了具有原子级平整度的铅薄膜,并观察到铅薄膜超导转变温度和热膨胀系数随薄膜厚度振荡等奇特的材料性质。

  6.蛋白质结构与功能研究取得突破

  首次获得了菠菜捕光复合体(LHCII)2.72Å分辨率的三维结构解析,这是目前为止第一个原子水平解析的LHCII三维结构,被认为是近年来光合作用研究的一项突破,研究成果以article 形式发表在NATURE杂志。成功解析了线粒体呼吸链膜蛋白复合物II及其与抑制剂复合体的晶体结构,填补了线粒体呼吸链研究的一个空白,为研究线粒体呼吸链电子传递系统和与该复合物相关的人类线粒体疾病提供了一个真实可用的模型,研究成果发表在CELL杂志。

  7.脑科学研究取得突破

  在大脑的认知、神经信号传导、神经生长等方向取得了一批创新成果,在SCIENCE、NATURE、NEURON等国际著名刊物发表了一批重要论文。在国际上开创了果蝇面对两难线索的抉择研究,发现果蝇可以学习视觉模式的多个线索来指导飞行定向行为,并证明果蝇脑的蘑菇体参与决择过程,为理解脑的这一智能行为提供了更为简单的模型生物和新的抉择范式。在神经发育的一些基本过程的调节机制研究中发现一种称为CSK的蛋白激酶在神经细胞的发育过程中分布有极性,在轴突中的活性比树突中的低,控制着神经细胞的极性。在认知科学研究方面,提出了拓扑性质初期知觉理论,对半个世纪以来占统治地位的特征分析理论提出了挑战,进一步研究发现了支持该理论的磁共振成像的生物学证据。

  8.转基因属间克隆鱼的成功诞生

  标志着我国在动物克隆基础研究领域取得新的突破。以转MThGH F4代红鲤的囊胚细胞为供体,以金鱼去核卵为受体进行属间的核移植,成功获得转基因属间克隆鱼,并首次从分子水平发现细胞质影响克隆鱼发育的新证据。

  9.免疫学研究取得新的重要突破

  发现了一种具有特殊负向免疫调控功能的新型DC亚群,对传统免疫学中普遍认为的成熟DC不再增殖的传统理论提出了挑战,有助于深入认识免疫应答的机制以及多种疾病的发病机理。

  10.创造新物质的分子工程学

  凝聚了该领域的5位院士、14位国家杰出青年基金获得者和3个“创新研究群体”开展创新研究,做出了高水平的研究成果,在SCIENCE、NATURE、ACCOUNT OF CHEMICAL RESEARCH、JACS等化学领域国际权威杂志发表论文40多篇,在国际上产生了重要影响。

  11.古生物研究

  以我国丰富的古生物资料为基础,在后生动物、脊椎动物、鸟类等重要生物类群的起源,寒武纪生物大爆发,古生代、中生代和新生代的生物大辐射,古生代三次生物大灭绝及其后的复苏,探索生物和环境协同演变的基本规律等方面,取得了一系列重大发现和创新性成果,以第一作者在SCIENCE和NATURE杂志发表论文32篇,受到国际学术界的高度关注。其中“澄江动物群与寒武纪大爆发”研究获2003年国家自然科学奖一等奖;湖南花垣排碧剖面被确立为寒武系内部第一个全球界线层型剖面(“金钉子”)。

  12.青藏高原演化及环境效应

  对印度大陆碰撞时限、过程和高原南北边缘碰撞模式等提出了新的看法;建立了高原不同地区高分辨率环境记录,揭示了2万年、特别是近2千年以来气候环境变化特征。首次全面系统地研究喜马拉雅山、青藏高原的隆升与亚洲季风气候的关系。研究结果表明,在距今1000-800万年前青藏高原的隆升导致了亚洲季风的出现,距今360-260万年青藏高原的加速隆升奠定了亚洲季风气候的基本框架。说明亚洲季风的演化与高原的阶段性隆升密切相关。

  13.大陆深俯冲等方面取得多项突破性进展

  揭示了板块会聚边界深部连续的物质组成、三维结构、壳幔物质交换及地球物理状态;证明地质历史上曾发生板块携带了巨量物质深俯冲到100公里以下地幔深处的重要地质事件;研究发现榴辉岩矿物中结构水(OH)脱水而引起的不稳定性会诱发断裂,可以引起高温地震,从而解释了地幔转化带中深源地震的成因,该成果于2004年发表在NATURE杂志。

  14.海洋科学研究

  建立了我国近海生态系统动力学理论体系框架,首次从生态系统水平上建立了以鯷鱼为例的配额捕捞评估与管理模型,发现中华哲水蚤在温带陆架浅海度夏策略,被认为是国际全球海洋生态系统动力学(GLOBEC)计划实行以来有代表性的研究成果之一,应GLOBEC科学指导委员会委员和北太平洋科学组织(PICES)邀请,多次在国际科学会议上报告,产生了重大的影响。在近海环流的形成机理和变异方面,揭示了东海黑潮“多核结构”的形成机理;发现东海南部外陆架环流的存在,模拟出“流-涡结构”的分布和变异形态;阐述了南海环流“多涡结构”演化规律;发展了风-浪-潮-流耦合数值模式。

  15.数学机械化方法研究

  证明了某类代数系统全局优化的“有限核”定理,给出了这类系统完整的全局优化方法,为众多科学领域全局优化提供了新方法,并完成了数学机械化自动推理平台;从理论上证明了任意可逆线性变换可以整数实现,并给出了一个充要条件和整数实现的快速算法,基于此理论提出的“多成份变换”技术已被JPEG2000图像压缩国际标准采纳。

  16.大规模科学计算研究

  发展了适合求解大型偏微方程组的自适应算法、辛算法、多尺度算法等算法;首创性地将辛算法用于大气海洋GPS资料同化,并建立了新一代大气环流模式GAMIL1.0。

  17.高性能优化算法研究

  发展了能够快速寻找有效解空间和算法的创新方法,将求解同等规模旅行商问题实例的稳定解质量和求解超大规模实例的计算速度分别提高了一个数量级;发展了多空间搜索等大规模优化算法,并应用于互联网搜索、移动通信与多媒体通信系统、超大规模集成电路设计、电力信息智能化管理系统等技术领域。

  (二)基础理论的源头创新
  1.钢铁凝固和结晶控制等基础理论研究

  发现冶金过程晶粒细化调控可大大提高钢材强度,系统集成高洁净钢生产技术、高均质凝固组织技术和形变诱导相变组织细化技术发展的新一代钢铁材料,以高洁净度、高均质和超细组织为特征,其强度约为目前普通材的一倍;所取得的成果已部分应用于汽车、建筑等行业,被国内冶金界认为是推动钢铁行业结构调整、产品更新换代、提高钢铁行业技术水平的一次“革命”。

  2.高性能聚烯烃材料工业生产中的关键问题

  从高分子链结构与加工性能的关系出发,提出了分析双轴拉伸流动稳定性理论,将流变学研究引入到聚烯烃加工性能的改进中,设计出适合高速拉伸的BOPP薄膜专用料的链结构,在基本上不改变现有工艺生产装备条件的情况下开发出了400米/分钟的超高速BOPP专用料,产品质量超过进口产品。

  3.国际上首次建立一水硬铝石型铝土矿反浮选理论和技术

  提出了改变铝-硅矿物间界面相互作用力以控制分散的原理,提出了铝硅酸盐矿物高效捕捉剂结构模型及活化浮选的新思路,形成了“控制分散-选择性抑制-强化捕收”的反浮选脱硅技术原型和选择性磨矿-聚团正浮选脱硅技术。原创的浮选脱硅法和改进的拜尔法有可能使我国可利用的铝土矿资源扩大2-5倍。

  4.光电子器件、光存储及信息功能材料研究等方面取得若干突破性进展,取得了系列有自主知识产权的成果

  在量子级联激光器和探测器研究方面,研制成功镓砷/铝镓砷量子级联激光器和世界上第一个短腔长单模应变补偿铟镓砷/铟铝砷量子级联激光器,研制出国际上第一只镓铟氮砷/镓砷多量子阱谐振腔增强探测器,这些成果标志着我国砷化镓基近红外波段光电子材料与器件的研究水平已进入世界先进行列。光存储方面,利用多波长多阶光存储方法,发展了在不改变光学系统数值孔径的情况下大幅度提高光盘存储密度和容量的新一代光存储技术,使光盘容量成倍增长,为建立具有我国自主知识产权的光盘产业开辟了新的途径。半导体光放大器研究方面,在国际上首次提出并制备了渐变应变有源区的偏振不灵敏半导体光放大器,首次采用张应变量子阱和压应变准体材料交替生长制备出半导体光放大器。有机小分子荧光材料方面设计合成了有自主知识产权的酚基吡啶配合物系列;突破在传统钙钛矿型化合物中研究微波介质陶瓷的框架,研究出具有自主知识产权的K2NiF4型MRAlO4微波介质陶瓷新体系。

  5.微纳电子材料与器件及微机电系统研究取得了一系列突出进展

  在硅基集成器件微型化研究方面,研制成功栅长为27nm的新型CMOS器件和栅长为36nm的CMOS32分频电路,标志着我国的芯片微型化研究迈上了一个新的台阶。化合物半导体电子器件研究,成功获得了截止频率超过100GHz的PHEMT晶体管,为国内研制InP基器件打下了基础。场发射平板显示研究方面,研制出带栅结构的硅纳米线冷阴极和WO3纳米线冷阴极阵列,研究成果属国内外首先报导。集成微机电系统研究,提出了稀薄空气阻尼能量转移模型—Bao模型和微机械孔板结构压膜空气阻尼模型—修正的雷诺方程;针对微机械结构的特点建立了新的动力学方程,据此研制出了有自主知识产权的微惯性传感器,并得到应用。

  (三)能源、资源环境方面解决了一批关键科学问题
  1.化石能源高效清洁利用方面取得多项创新成果

  在揭示水促钙基脱硫机理的基础上,发展了中温烟气脱硫技术,仅用相当于湿法脱硫技术4%的水,即可使脱硫效率达到85-95%;提出和证明了等离子体NOx还原反应的机理,在此基础上发展的NOx脱除新技术已初步推广应用。天然气、煤层气优化利用的催化基础研究,在国际上首创紫外拉曼光谱在催化原位、动态表征中的应用理论和技术,得到了国内外同行的广泛认可;由天然气和煤气化制得的合成气经甲醇和二甲醚制备低碳烯烃技术获得成功;提出了一种甲烷无氧活化的理论,开辟了由天然气制备化工原料和氢气的新途径。

  2.石油勘探开发和提高采收率

  建立了碳酸盐岩油、气源岩分级评价方法和指标体系,提出了中国叠合盆地海相烃源岩的四种分布预测模式和两种非烃源岩的发育模式;提出碳酸盐岩作为烃源岩的有机质丰度下限为TOC=0.5%,该标准已作为中国石油和中国石化两大股份公司的新标准,在新一轮油气资源评价中发挥了重要作用;从分子尺度上掌握了驱油用表面活性剂结构与性能关系,首次提出了驱油用表面活性剂分子设计的准则,设计并生产出具有自主知识产权的廉价、高效、无污染的驱油用烷基苯磺酸盐表面活性剂产品,经大庆油田现场试验,采收率比水驱提高15-20%,成本显著降低。在天然气藏勘探与开发方面,首次使用小波分析和多属性定量预测方法,有效预测储层含气特性,提高钻探成功率,研究成果初步应用于苏里格气田的气层识别研究。

  3.战略矿产资源研究

  围绕东部环太平洋成矿域,初步建立了中新生代和晚古生代大陆成矿理论,发展了多项找矿预测的新技术、新方法,提出一系列大矿和大型矿集区的靶区,被中国地质调查局陆续列入前期风险勘查。在古特提斯成矿域方面,编制了新一代青藏高原主碰撞带地质图和构造纲要图,初步提出碰撞造山过程的构造演化新模型,建立了大陆碰撞造山成矿理论新框架。

  4.生态环境

  针对北方干旱和半干旱地区,系统分析了亚洲季风长期演变与北方干旱化关系和相关证据,建立的区域环境系统集成模式,为干旱化预测和“有序人类活动”虚拟试验提供了有效工具,干旱化发展趋势预测报告得到政府有关部门的重视。在西部干旱区生态环境演变与调控方面,提出天山北部山地-绿洲-荒漠系统的生态建设与可持续农业范式及西北干旱区生态区划,建立了沙漠地区重大工程防护体系建设的技术集成,为塔里木沙漠公路及新疆北水南调工程沙漠段防护提供支撑。深入研究了土壤质量与侵蚀、酸化和酸沉降以及土-气界面气体交换之间的关系,提出了稻田生态系统是太湖地区环境友好、可持续利用的农业生态系统的观点,基于此观点提出的“保护太湖流域人工湿地-稻田”的建议为苏州市政府所采纳。

  5.环境污染防治

  对北京及周边地区空气污染进行了综合监测,特别是对大气-水-土相互作用、城市建筑发展、U型地形对热岛加强的影响等多种观测获得了一批精确的定量结果,为改善预报能力、污染控制决策、污染早期预警和监测系统设计提供了科学依据,获世界气象组织高度评价,并被评为全球仅有的两个先导性示范项目之一。

  6.我国近海有害赤潮形成机理和预测

  首次在东海发现大规模亚历山大藻有害赤潮,证实了关键物理海洋过程在东海赤潮形成中的重要作用,初步揭示东海大规模赤潮的潜在危害性及危害机理。2005年在东海赤潮高发区水域发现大规模的米氏凯伦藻赤潮,提出了赤潮防治的建议供有关部门参考。

  7.重大灾害形成机理与预测

  揭示了中国大陆强震活动受控于活动地块运动而集中分布于活动地块边界的基本事实,对大陆强震孕育发生的过程获得了初步的认识,发展了中长期强震预测的方法,并给出了未来10年中国大陆地区强震危险区预测。开展了大规模的暴雨野外加密观测科学试验,提出了梅雨锋中尺度暴雨的多尺度物理模型和梅雨锋暴雨的天气学模型,发展了适用于我国的配有三维变分同化方案的中尺度暴雨数值预报模式系统。基于“季风-暖池-ENSO循环相互作用理论”和“大气热力适应理论”等重要气候理论,对东亚气候异常进行了跨季度和年度预测试验,成功地预测了拉尼那事件的演变和华北的严重干旱气候。提出了一个跨季度气候数值预测系统,并设计了一个18层新大气环流数值模式框架,为我国气候数值模式的更新换代提供了基础。

  (四)农业、人口与健康领域基础研究水平显著提升
  1.农业动植物功能基因组与分子改良基础研究

  首次克隆了与水稻分蘖形成有关的重要基因MOC1,该成果是近年来在植物形态建成特别是侧枝形成领域中最重要的发现之一,其在农业生产中的应用对提高水稻等禾本科作物产量具有重要意义;克隆了直接参与水稻纤维素合成与调控BC1基因,研究表明对有针对性地调控禾本科植物茎叶强度,高效合理利用植物茎杆,提高作物资源利用率具有重要意义。成功克隆猪FSH-β基因,在国际上率先发现该基因是影响猪产仔数的主效基因或遗传标记,该成果的应用大大加速了优良猪种选育速度。

  2.农业资源高效利用

  在国际上首次构建了以5%的样本代表85%以上遗传多样性的水稻、小麦、大豆核心种质,为深化我国种质资源研究和作物育种奠定了重要基础;光合与固氮作用的基因调控水平相互作用研究中发现,蓝细菌中主管异形胞发育的关键蛋白HetR可形成二聚体,并可通过结合目标基因的DNA来调控基因表达水平,提出了一个影响新的固氮效率的基因调控模型,为提高农作物氮利用效率奠定了理论基础;在植物抗旱机理研究方面发现通过调控大气水分亏缺差可使作物出现气孔开合振荡,根据此原理初步开发了气孔振荡抗旱剂,田间实验表明,在大中旱年份可使300毫米年降雨量左右的半干旱区的作物产量比对照高1至2倍,这对我国干旱半干旱区的农业生产具有重要意义。

  3.农业生态安全

  在分子水平对我国烟粉虱的生物型进行了鉴定,开发成功大豆疫霉快速分子检测技术,系统开展了小麦矮腥黑粉菌种(TCK)入侵中国的风险研究,为我国小麦进口的谈判及质量检验检疫提供了科学依据和技术支撑。首次发现昆虫抗药性变化与乙酰胆碱受体相关功能位点的突变有关,这一成果不仅可以指导新型抗药性分子检测技术的开发,为抗药性治理提供理论依据,同时可以为高效安全杀虫剂的分子设计提供新思路和新途径。研制成功一类结构新颖、具有独立知识产权的高活性烟碱类化合物IPP-44,发现了与有机磷及氨基甲酸酯抗性有关的点突变D421和AChE抗性等位基因的适应缺陷机制。发现高致病性禽流感病毒已逐渐获得对哺乳动物的感染能力,并证明其对小鼠的致病性与PB2蛋白的第701位氨基酸有密切的关系,为深入认识高致病性禽流感病毒跨种传播分子机制奠定了基础。

  4.疾病致病基因定位、克隆和功能研究方面取得重大突破

  单基因疾病方面,克隆了遗传性乳光牙本质致病基因,明确DSPP基因突变导致遗传性乳光牙本质;克隆了A-1型短指症致病基因,明确了IHH基因在导致人类遗传疾病中的作用;克隆了房颤致病基因,解释了多元通路折返造成房颤的发病机制。多基因疾病方面,发现在人类4号染色体4p15.1 -4q12区域存在鼻咽癌的易感基因,首次证明了鼻咽癌的遗传易感性;发现肝癌和胃癌的肿瘤原发灶和转移灶基因表达高度一致,显示肿瘤转移与肿瘤大小、包膜完整性无明显关系,而与肿瘤本身基因表达有关;初步提供了PRKCZ作为2型糖尿病易感基因的证据。

  5.重大疾病的治疗研究取得显著进展

  急性早幼粒细胞性白血病(APL)发病机制研究表明,该病有特异染色体异位t(15;17)导致的PML—RARα融合蛋白,全反式维甲酸能诱导APL细胞分化,三氧化二砷则可选择性诱导凋亡,其作用靶点均为PML—RARα融合蛋白,临床研究表明应用两药联合靶向治疗使初发APL成为第一个可治愈的成人白血病,已得到广泛应用。利用主动免疫治疗抗肿瘤血管生成,在小鼠体内可诱导针对肿瘤新生血管的自身免疫反应,表现出抗肿瘤活性,为肿瘤疫苗研制及肿瘤治疗提供了新思路。

  6.重要传染病的基础研究方面

  完成了痢疾杆菌四个代表株的全基因组测序;从分子水平确定我国HIV流行的传播线路;在国际上率先解析了SARS冠状病毒的主要蛋白酶(3CLpro)的三维结构,揭示了3CLpro与底物结合的精确模式,为研制有关SARS冠状病毒防治药物开辟了新途径。

  7.生殖健康

  首次克隆到生殖系统第一个天然抗菌肽基因Bin1b,研究发现该基因能启动附睾头部精子的运动,从而揭示了精子由不活动状态到活动状态的重要起因,为男性避孕药的设计和男性不育的诊疗提供了线索;发现囊性纤维化(CF)女性患者因囊性纤维跨膜电导调节因子(CFTR)基因突变导致子宫上皮分泌HCO3-发生阻碍,从而影响了精子获能和受精,揭示了该类患者不育机理。

  8.创新药物研究

  建立和完善了新药创制的系列研究平台和新方法,发现多个候选药物靶标。在国际上首先发现CD146分子选择性地在肿瘤血管内皮细胞高表达,为新型抗肿瘤药物的筛选提供了一个新的靶分子。建立了包括基质金属蛋白酶高通量筛选、肿瘤新生血管抑制剂筛选等80多种新颖的酶、受体和细胞水平筛选模型,发现了一批针对重大疾病、具有新结构或新颖药理作用的先导化合物和候选新药。治疗早老性痴呆症药物希普林(ZT-1)、抗肿瘤药物沙尔威辛(Salvicine)和力达霉素(Lidamycine)等3种新药已进入临床研究,其中希普林已在欧洲30多家医院完成了Ⅱ期临床试验,有可能成为我国走向世界、产生显著经济和社会效益的新药。创新药物研究取得的部分成果已得到863计划和重大科技专项后续资助,或与企业建立了合作开发关系。

  9.生物医用材料骨诱导理论

该理论得到了国际认可,阐明了生物材料可诱导成骨,从材料学及生物学两方面证实了诱发材料骨诱导作用的重要条件,建立了比较完整的原创性骨诱导理论,基于该理论研制的新一代骨诱导人工骨,获国家食品药品监督管理局生产注册证,400余例临床试验效果良好。

 

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