物理II 纳米材料健康效应与安全性研究中的核技术方法 系统理解纳米尺度与纳米结构材料的生物学效应和开展纳米安 全性研究,既是物理、化学、材料与医学科学交汇所出现的前沿 基础科学问题,也是纳米技术可持续发展所必须建立的安全性评 价与分析检测等实际应用问题。生物医用的纳米结构材料具有小 尺寸效应、表面效应、团聚效应以及量子效应的特点,我国学者 利用多种先进核技术与大科学装置平台技术系统,开展纳米结构 材料对生命健康产生影响的研究,深入研究了纳米材料健康效应 与安全性,突破了纳米尺度物质生物学效应体内定量检测的方法 学瓶颈,解决了纳米物质体内行为的复杂化学生物学机制难题。 建立了测定纳米颗粒体内分有与转运速率定量方法,实现单细胞 与单颗粒的三维高分辦成像、纳米-生物界面精细结构表征、纳 米材料体内行为的动态分析和表征,为纳米生物医学研究提供了 重要的分析方法和研究手段,推动了核技术与大科学装置在纳米 生物医学与安全性评价研究等交叉学科的发展
物理 II 纳米材料健康效应与安全性研究中的核技术方法 系统理解纳米尺度与纳米结构材料的生物学效应和开展纳米安 全性研究，既是物理、化学、材料与医学科学交汇所出现的前沿 基础科学问题，也是纳米技术可持续发展所必须建立的安全性评 价与分析检测等实际应用问题。生物医用的纳米结构材料具有小 尺寸效应、表面效应、团聚效应以及量子效应的特点，我国学者 利用多种先进核技术与大科学装置平台技术系统，开展纳米结构 材料对生命健康产生影响的研究，深入研究了纳米材料健康效应 与安全性，突破了纳米尺度物质生物学效应体内定量检测的方法 学瓶颈，解决了纳米物质体内行为的复杂化学生物学机制难题。 建立了测定纳米颗粒体内分布与转运速率定量方法，实现单细胞 与单颗粒的三维高分辨成像、纳米-生物界面精细结构表征、纳 米材料体内行为的动态分析和表征，为纳米生物医学研究提供了 重要的分析方法和研究手段，推动了核技术与大科学装置在纳米 生物医学与安全性评价研究等交叉学科的发展
化学科学部 鼓励探索、突出原创”典型案例 项目背景(重要性、必要性)的阐述 硫化学在生命科学、材料科学、天然产物、医药农药、乃至 我们日常生活的食品、香精香料中都扮演着举足轻重的猴用。 2016年世界排名前200名的零售药中,含硫药物就达到33个。 然而,含硫结构化合物合成领域目前仍存在诸多瓶颈科学问题: (1)硫的孤对电子的强配位性极易将金属毒化;(2)硫的多氧 化态导致反应可控性差;(3)硫的高活性使得体系兼容性低。 这些都严重制约着硫化学的发展和应用。 二、项目原创性(从无到有)的阐述 该项目针对以上科学挑战,从共轭效应、电子效应、以及面 具张力三个方面考虑,设计稳定易转化且无臭的双边过硫试剂, 实现从无到有。把原本毒化金属、挥发恶臭、氧化不兼容的巯基 硫源转变成无臭稳定、绿色安全的无机硫盐,同时实现“从无机 向有机”多样性功能转化。传统非对称过硫化合物的构建方法, 都是从构建S-S键出发,这必然需要两个反应物都引入硫原子, 大大降低了原子经济性和步骤经济性,同时巯基的起始原料取代 会带来一系列兼容与环保问题。虽然我们前期的单边过硫试剂 “面具效应”策略为解决以上问题提供了可能性,但还存在以下
化学科学部 “鼓励探索、突出原创”典型案例 一、项目背景（重要性、必要性）的阐述 硫化学在生命科学、材料科学、天然产物、医药农药、乃至 我们日常生活的食品、香精香料中都扮演着举足轻重的作用。 2016 年世界排名前 200 名的零售药中，含硫药物就达到 33 个。 然而，含硫结构化合物合成领域目前仍存在诸多瓶颈科学问题： （1）硫的孤对电子的强配位性极易将金属毒化；（2）硫的多氧 化态导致反应可控性差；（3）硫的高活性使得体系兼容性低。 这些都严重制约着硫化学的发展和应用。 二、项目原创性（从无到有）的阐述 该项目针对以上科学挑战，从共轭效应、电子效应、以及面 具张力三个方面考虑，设计稳定易转化且无臭的双边过硫试剂， 实现从无到有。把原本毒化金属、挥发恶臭、氧化不兼容的巯基 硫源转变成无臭稳定、绿色安全的无机硫盐，同时实现“从无机 向有机”多样性功能转化。传统非对称过硫化合物的构建方法， 都是从构建 S-S 键出发，这必然需要两个反应物都引入硫原子， 大大降低了原子经济性和步骤经济性，同时巯基的起始原料取代 会带来一系列兼容与环保问题。虽然我们前期的单边过硫试剂 “面具效应”策略为解决以上问题提供了可能性，但还存在以下
问题:无法实现“两边”同时灵活改变,构建非对称过硫;无法 实现四硫结构的构建(单边过硫最多只能实现三硫结构构建); 无法实现环状、桥状过硫结构的构建;无法对过硫天然产物和药 物构建进行更广谱的合成和后修饰衍生 、具体阐述该项目符合此属性的理由 1.该项目拟设计合成的新型双边多硫试剂是一个全新的构 想,具有鲜明的首创性。 2.该项目拟运用全新的“配体向金属中心传递电子的模型” 来实现对硫的活化扰动激发自由基,让硫自由基实现可控阶梯氧 化。最终将该绿色高兼容的体系应用于复杂药物、生命大分子的 调控性合成与修饰。 3.该项目是该领域独创性的研究工作,课题特色鲜明,是 “鼓励探索、突出原创”的典型案例。 聚焦前沿、独辟蹊径”典型案例 该项目所聚焦的前沿问题是什么? 二氧化碳分离属于国际前沿研究课题。二氧化碳是导致全球 变暖的主要温室效应气体,现行解决方案是利用有机胺类水溶液 对二氧化碳进行分离回收,但该方法耗能巨大;通过发展新型高 选择性、高吸附容量的固相材料,实现二氧化碳的高效吸附与分
问题：无法实现“两边”同时灵活改变，构建非对称过硫；无法 实现四硫结构的构建（单边过硫最多只能实现三硫结构构建）； 无法实现环状、桥状过硫结构的构建；无法对过硫天然产物和药 物构建进行更广谱的合成和后修饰衍生。 三、具体阐述该项目符合此属性的理由 1. 该项目拟设计合成的新型双边多硫试剂是一个全新的构 想，具有鲜明的首创性。 2. 该项目拟运用全新的“配体向金属中心传递电子的模型” 来实现对硫的活化扰动激发自由基，让硫自由基实现可控阶梯氧 化。最终将该绿色高兼容的体系应用于复杂药物、生命大分子的 调控性合成与修饰。 3. 该项目是该领域独创性的研究工作，课题特色鲜明，是 “鼓励探索、突出原创”的典型案例。 “聚焦前沿、独辟蹊径”典型案例 一、该项目所聚焦的前沿问题是什么？ 二氧化碳分离属于国际前沿研究课题。二氧化碳是导致全球 变暖的主要温室效应气体，现行解决方案是利用有机胺类水溶液 对二氧化碳进行分离回收，但该方法耗能巨大；通过发展新型高 选择性、高吸附容量的固相材料，实现二氧化碳的高效吸附与分
离是当前的科学前沿问题。 该项目中独特的解决方案是什么? 多功能耦合共价有机框架材料为二氧化碳的高效分离与转 化提供了独特的解决方案。近年来,大量工作致力于发展基于物 理吸附原理的多孔材料开展二氧化碳分离的探索研究,材料体系 集中在金属有机框架材料,但其配位键的化学本质影响杖料在服 役条件下的稳定性; 与之相比,共价有机框架材料具有更高的稳定性、结晶性和 高比表面积,更加适用于二氧化碳的吸附分离。该课题组在前期 已开展了一些原创研究工作,在此基础上本项目拟通过调控初/ 高次结构进一步提高选择性和吸附容量,通过在材料中引入光催 化活性基团,将二氧化碳变成一氧化碳、甲醇、乙醇等化学燃料, 发展新型多功能耦合的共价有机框架材料,为二氧化碳吸附分离 转化这一前沿科学问题提供独特的解决方案。 三、具体阐述该项目符合此属性的理由 聚焦二氧化碳分离的前沿问题,通过发展多功能耦合共价有 机框架材料,为二氧化碳的高效分离与转化提供独特的解决方案。 本项目利用拓扑学设计初次及高次结构共价有机框架材料,通过 分子设计调控孔形状、孔径尺寸以及孔壁界面,为二氧化碳吸附 分离提供材料支撑;通过在骨架引入催化位点进一步将二氧化碳 变成一氧化碳、甲醇、乙醇等化学燃料;结合特定场景需求创新
离是当前的科学前沿问题。 二、该项目中独特的解决方案是什么？ 多功能耦合共价有机框架材料为二氧化碳的高效分离与转 化提供了独特的解决方案。近年来，大量工作致力于发展基于物 理吸附原理的多孔材料开展二氧化碳分离的探索研究，材料体系 集中在金属有机框架材料，但其配位键的化学本质影响材料在服 役条件下的稳定性； 与之相比，共价有机框架材料具有更高的稳定性、结晶性和 高比表面积，更加适用于二氧化碳的吸附分离。该课题组在前期 已开展了一些原创研究工作，在此基础上本项目拟通过调控初/ 高次结构进一步提高选择性和吸附容量，通过在材料中引入光催 化活性基团，将二氧化碳变成一氧化碳、甲醇、乙醇等化学燃料， 发展新型多功能耦合的共价有机框架材料，为二氧化碳吸附分离 转化这一前沿科学问题提供独特的解决方案。 三、具体阐述该项目符合此属性的理由 聚焦二氧化碳分离的前沿问题，通过发展多功能耦合共价有 机框架材料，为二氧化碳的高效分离与转化提供独特的解决方案。 本项目利用拓扑学设计初次及高次结构共价有机框架材料，通过 分子设计调控孔形状、孔径尺寸以及孔壁界面，为二氧化碳吸附 分离提供材料支撑；通过在骨架引入催化位点进一步将二氧化碳 变成一氧化碳、甲醇、乙醇等化学燃料；结合特定场景需求创新
过程研究,探索基于模块的固相分离技术。本项目的研究为二氧 化碳吸附分离转化这一前沿科学问题提供了独特的解决方案,是 聚焦前沿、独辟蹊径”的典型粲例。 “需求牵引、突破瓶颈”’典型案例 一、该项目契合国家娜方面需求? 氮氧化物排放控制契合“打好污染防治攻坚战”这一国家重 大战略需求。氮氧化物(NO)是大气污染物PM和臭氧的重要前 体物,是造成严重灰霾天气或臭氧污染天气的重要原因之一。氦 氧化物(N0)来源包括机动车尾气、燃煤电厂、工业源(如钢 铁、焦化、水泥、玻璃和陶瓷等行业)排放等,且工业源排放是 大气NO的主要来源。虽然近年来机动车尾气和燃煤电厂NO排放 已得到较好控制,但是工业源NO排放仍未得到有效控制。工业 源N排放是导致大气中PM和臭氧浓度居高不下,造成严重灰霾 或0污染天气,对气候、环境和人类健康造成巨大危害的重要原 因之一Q因此,有效控制工业源N0排放是大气污染控制的重要 组成部分,契合“打好污染防治攻坚战”这一国家重大战略需求。 该项目可能解决哪方面科学问题、突破哪方面技术瓶 颈? 该项目拟突破工业烟气脱硝中N-SCR催化剂容易发生ABS 中毒这一技术瓶颈。N选择性催化还原NO、( Selective
过程研究，探索基于模块的固相分离技术。本项目的研究为二氧 化碳吸附分离转化这一前沿科学问题提供了独特的解决方案，是 “聚焦前沿、独辟蹊径”的典型案例。 “需求牵引、突破瓶颈”典型案例 一、该项目契合国家哪方面需求？ 氮氧化物排放控制契合“打好污染防治攻坚战”这一国家重 大战略需求。氮氧化物（NOx）是大气污染物PM2.5和臭氧的重要前 体物，是造成严重灰霾天气或臭氧污染天气的重要原因之一。氮 氧化物（NOx）来源包括机动车尾气、燃煤电厂、工业源（如钢 铁、焦化、水泥、玻璃和陶瓷等行业）排放等，且工业源排放是 大气NOx的主要来源。虽然近年来机动车尾气和燃煤电厂NOx排放 已得到较好控制，但是工业源NOx排放仍未得到有效控制。工业 源NOx排放是导致大气中PM2.5和臭氧浓度居高不下，造成严重灰霾 或O3污染天气，对气候、环境和人类健康造成巨大危害的重要原 因之一。因此，有效控制工业源NOx排放是大气污染控制的重要 组成部分，契合“打好污染防治攻坚战”这一国家重大战略需求。 二、该项目可能解决哪方面科学问题、突破哪方面技术瓶 颈？ 该项目拟突破工业烟气脱硝中 NH3-SCR 催化剂容易发生 ABS 中毒这一技术瓶颈。NH3选择性催化还原 NOx（Selective