附件2：化学科学部重大项目指南.doc

附件 2 化学科学部重大项目指南 2021 年化学科学部共发布 10 个重大项目指南， 拟资助 7 个重 大项目。项目申请的直接费用预算不得超过 1500 万元/项。 “自由基化学反应的机制与功能”重大项目指南 自由基是化学转化过程中的一类关键中间体，但受制于其短 寿命和高活性等特征，目前对自由基反应的本质认识十分有限。 阐释自由基的产生机制、反应活性和选择性调控、成键的热力学 和动力学过程等关键科学问题，有助于发挥自由基化学的独特优 势，指导新型绿色、高效、高选择性自由基反应的设计和开发， 为化学、材料和生命科学等领域提供有力的合成与认知工具，助 力合成化学的变革性发展。 一、科学目标 针对自由基化学的研究现状和趋势，揭示自由基反应的本质 和规律，探讨自由基形成与转化过程中的动力学和动态学，开发 大宗化工原料的自由基新反应，并应用于重要生物活性物质和精 细化学品的高效高选择性合成，优化资源利用，加速医药研发， 推动化学工业变革性方法和技术的跨越发展，提升我国在自由基 化学领域的学术地位。 二、关键科学问题 （一）自由基的产生与成键机制。 （二）自由基反应活性和选择性调控机制。 （三）自由基转化过程中的热力学和动力学规律。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“自由基化学反应的机制与功能” （以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “化学反应的超分子调控”重大项目指南 化学反应的超分子调控是实现化学反应精准化的一个重要且 独特的手段。通过多重与多种非共价相互作用的动态化协同，超 分子方法有望在不同时空尺度上高效且特异性识别反应底物、中 间体和产物，从而实现对反应位点和反应路径的高效与高选择性 调控。旨在揭示非共价相互作用对活性中间体物种结构、寿命及 反应路径等的有效调控机制，阐明超分子活性中间体的结构与反 应规律，为创造新物质提供新的思路和方法，并推动化学合成向 精准化发展。 一、科学目标 创建有机分子组装体及生物大分子组装体等新型超分子体系， 开发调控化学反应的超分子新方法，实现对化学反应的路径、效 率及选择性的精准调控，发展高效的分子转化与功能化反应策略， 为创造新物质提供变革性的思路和研究范式。 二、关键科学问题 （一）非共价相互作用对化学反应中间体结构、寿命、活性 的影响。 （二）非共价相互作用对反应路径和选择性调控的机制。 三、申请要求 申请书的附注说明选择“化学反应的超分子调控”（以上选择 不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “能量代谢仿生体系的构建与功能”重大项目指南 能量代谢是生命存在的基础。在细胞内，包括生物分子马达 在内的多种分子机器构成了能量代谢的载体，驱动了物质运输、 DNA 复制及细胞分裂等各种生命活动。人体内能量代谢的异常往 往导致肿瘤等重大疾病的发生。在体外构建具有能量代谢功能的 仿生体系对于理解和调控生命的能量代谢过程具有重要的意义， 并有望为治疗重大疾病提供新的思路。 通过模拟活细胞，构建具有能量代谢功能的仿生体系，发展 相应的理论和表征技术，深入理解其本质规律，进而创制定向驱 动的能量代谢仿生体系，实现肿瘤细胞的能量代谢精准调控，为 肿瘤治疗提供新的方法。 一、科学目标 以生物分子马达等重要能量代谢分子机器为原型，构建具有 能量代谢功能的仿生体系，发展相应的理论和原位动态表征技术， 揭示其跨尺度能量转化和物质输运机制，建立能量分子合成模型， 实现肿瘤细胞能量代谢的精准调控，并为癌症治疗提供新的解决 方案。 二、关键科学问题 （一）高效准确构建具有能量代谢功能的仿生体系。 （二）阐明和控制仿生体系能量代谢的作用机制。 （三）实现仿生体系与重要生物过程的功能耦合。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“能量代谢仿生体系的构建与功 能”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “新型无机倍频晶体材料的化学创制”重大项目指南 倍频晶体可实现激光波长的转换，是光学器件的关键材料。 由于稳定性好和激光损伤阈值高，无机倍频晶体在国防科技、精 密加工和量子信息等领域得到了广泛的应用。自上世纪七十年代 以来，我国发现并开发了以可见波段的 BBO 、LBO 和深紫外波 段的 KBBF 为代表的、享誉世界的“中国牌”倍频晶体。由于已知 倍频材料的“基因”有限，无机倍频晶体材料的研究仍局限于硼酸 盐和磷酸盐体系，造成了倍频材料“基因”固化和材料“基因”封闭 的困境。拓展功能优异的新型无机倍频晶体材料种类、缩短研发 周期是本领域的重大需求。旨在建立新的研究范式，以理论计算 与机器学习为指导，化学材料创制为主线，功能晶体制备为目标， 从源头上解决制约传统倍频晶体材料的服役性能瓶颈问题，确保 我国在倍频晶体材料领域的国际领先地位。 一、科学目标 通过新理论模型和倍频晶体材料“基因”数据库的建立，应用 机器学习和数据挖掘技术，发现新型材料“基因”，建立基于新型“基 因”的倍频晶体材料可控合成新策略、新方法，揭示材料“基因”的 键合特性及组装规律对带隙、双折射率以及倍频效应等光学性能 的作用机制，制备功能优异的新型倍频晶体材料，实现化学创制 新颖无机倍频晶体材料的目标，创制新一代“中国牌”倍频晶体材 料体系，进一步提升我国在该领域的国际地位。 二、关键科学问题 （一）发现有共性的、全新的材料“基因” 。 （二）创制基于全新“基因”的无机倍频材料新体系。 （三）揭示材料“基因”与晶体材料的构效关系。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“新型无机倍频晶体材料的化学 创制”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “基于大科学装置的脑海马区分子图谱分析” 重大项目指南 大脑是人体最复杂的器官， 也是极为精巧和完善的信息处 理系统，其功能连接和工作机制是科学家们一直尝试解决的重大 科学问题和难题。欧盟、美国、日本等国家先后发布各自的脑科 学研究计划，2016 年我国也发布了"中国脑计划：脑科学与类脑研 究"。但对于脑的介观精细结构、化学分子的定性定量和功能分区 定位仍然知之甚少。快速精准、高时空分辨的脑介观结构与功能 定位的成像是绘制大脑神经分子图谱、理解大脑生理病理过程及 发展类脑人工智能的瓶颈。 同步辐射大科学装置的迅猛发展，为脑结构成像提供了革命 性工具。具有超短波长的同步辐射 X-射线成像技术，有望为脑介 观结构的高分辨成像提供革命性工具。将 X-射线成像与光学、电 学测量技术融合，则为进一步探索脑相关的基础生命化学领域新 现象、新规律和新知识提供了新途径。 一、科学目标 拟聚焦特定脑功能区海马区分子图谱分析，依托同步辐射大 科学装置，突破现有对脑和神经系统介观尺度测量的瓶颈，建立 超高分辨 X-射线成像技术，探索脑海马区介观结构的高分辨快速 成像途径，发展融合标记/染色探针，在亚微米尺度分辨率下对海 马区实现神经回路图谱的三维 X-射线成像。结合分子光谱、电化 学等技术，发展脑海马区功能分区定位、神经分子连接的亚微米 级成像方法和融合探针，对神经小分子、蛋白质等化学分子进行 定性定量、结构和相互作用及功能分区定位成像研究，实现对脑 海马区化学物质的精准检测。利用深度机器学习方法，建立人工 智能大数据，建立脑海马区结构和功能分子关联图谱。 二、关键科学问题 （一）脑结构宏观和介观分析的同步辐射 X-射线快速成像 新方法。 （二）多模态成像技术的原位信号集成和复杂图像的融合分 析方法。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“基于大科学装置的脑海马区分 子图谱分析”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “高强多功能碳纳米管纤维基础研究”重大项目指南 碳纳米管是强度最高的材料之一。可控制备出接近单根碳纳 米管力学性能的宏观纤维对实现其规模化应用具有重要意义。围 绕高强多功能碳纳米管纤维，研究结构完美碳纳米管的可控制备、 基础物性以及不同尺度下碳纳米管的组装规律，开发出高强度碳 纳米管纤维。通过建立碳纳米管宏观纤维的制备工艺-结构-性能 关系，发展结构功能一体化碳纳米管纤维复合材料体系，推动我 国高性能碳纤维生产技术的发展。 一、科学目标 针对碳纳米管的晶格缺陷和尺寸效应，从原子结构控制、极 致性能探索、宏观纤维组装、多级结构设计与功能化入手，揭示 不同尺度下碳纳米管界面生长和组装规律，开拓高性能碳纳米管 纤维增强、增韧的技术原理和方法，并实现高强功能化碳纳米管 纤维从创制到应用的突破。通过项目的实施，获得成套先进碳基 纤维生产的基础理论和技术原型，形成一支国际上有重要影响力 的研究队伍，提升我国相关领域的原创和引领能力。 二、关键科学问题 （一）结构完美超长碳纳米管的精准构建及生长机制。 （二）高强高韧碳纳米管宏观纤维的制备技术。 （三）碳纳米管宏观纤维的力、电学性能调控机制及构效关 系。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“高强多功能碳纳米管纤维基础 研究”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “生命过程中外源污染物的识别与追踪” 重大项目指南 我国当前面临复杂的环境污染状况，许多区域性高发疾病的 环境污染诱因尚不清楚。旨在通过化学与环境科学、生命科学、 医学等学科的交叉，加强对环境污染与疾病发生关系的认识，建 立人体内暴露和环境外暴露的联系，获取外源污染与疾病发生因 果关系的科学依据，推动环境健康科学研究范式的完善，服务于 污染防控和全民健康的国家战略目标。 一、科学目标 建立生命过程中超痕量外源污染物的识别、鉴定和溯源方法， 识别体内若干未知外源污染物，揭示外源污染物在体内的真实赋 存状态、暴露途径、跨生物屏障转运机制、代谢归趋及生命周期； 追踪其外部污染来源，解析人体内暴露和环境外暴露的关系，阐 明外源污染物与关键生物分子的相互作用、对重要生理功能及生 命过程的扰动机制；辨识典型区域性高发疾病的环境污染诱因， 力争打开外源污染物在人体内存在及作用的认知“黑箱”。 二、关键科学问题 （一）生命过程中外源污染物的识别与表征。 （二）人体内外源污染物的暴露途径和代谢转化。 （三）外源污染物的体内毒性分子机制。 （四）外源污染物对重要生理功能和生命过程的扰动机制。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“生命过程中外源污染物的识别 与追踪”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “环境中抗生素抗性基因扩增传播界面行为及其风险” 重大项目指南 抗生素抗性基因的暴发性与广泛传播已严重威胁生态环境和 人类健康，是当前国际上亟待解决的重要环境健康难题。抗生素 抗性基因及其载体的多介质环境界面行为涉及物理、化学、生物 过程，决定了抗性基因的增殖扩散、生物效应及健康风险，而抗 生素和其他污染物的共选择可加速抗性基因的水平转移，进一步 增大其健康风险。因此，揭示抗生素抗性基因在固-液-气-生物界 面增殖扩散的生物化学机制及调控原理，阐明复合污染对抗生素 抗性基因产生和传播的共选择机制，探明抗生素抗性基因的区域 扩散过程和驱动因子，明确抗生素抗性基因的人群暴露途径和潜 在健康风险，对深刻认识抗生素抗性基因的环境行为、遏制抗生 素抗性基因在环境中的迁移传播、服务生态系统与人类健康具有 重要意义。 一、科学目标 针对威胁人类健康的抗生素抗性基因，发展环境中抗生素抗 性基因原位富集检测方法，从分子水平揭示化学污染物驱动下抗 性基因在水-土-气-生物界面上的扩增及调控原理，阐明复合污染 胁迫下微生物抗性的共选择机制，明确抗性基因区域传播途径及 主控因子，认识人为与自然因子交互作用对抗性基因形成的驱动 机制，构建抗性基因人群暴露的评价模型，在抗生素抗性基因的 界面扩增、区域传播、阻控原理、风险防控等方面取得突破，并 通过多学科交叉研究推动环境化学学科发展。 二、关键科学问题 （一）抗生素抗性基因的微界面行为及调控原理。 （二）化学污染物对抗生素抗性基因的共选择机制。 （三）抗生素抗性基因区域传播扩散过程及机制。 （四）抗生素抗性基因人群暴露途径及风险。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“环境中抗生素抗性基因扩增传 播界面行为及其风险”（以上选择不准确或未选择的项目申请不 予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “天然药物分子的生物合成与创新”重大项目指南 天然产物是药物发现和发展的重要源泉，其结构多样性是实 现功能多样性的分子基础。合成化学和合成生物学是天然药物制 造与创新的重要方法与手段。针对活性显著、结构独特或/和临床 应用广泛的天然药物分子家族，建立生物合成途径，解析酶学机 制，揭示自然中分子进化与演变的基本规律。在此基础上，促进 合成生物学与合成化学的交叉融合，发展基因组水平的天然产物 发现新策略，加速天然药物新分子的创制并拓展其用途。相关成 果将应用于新药发现以及药物绿色生产，并促进我国相关产业技 术发展方式的转变。 一、科学目标 聚焦来源于微生物和植物的重要天然药物分子家族，围绕化 学机制和反应规律的阐明与应用，研究生物合成途径和酶学机制。 在此基础上，开展合成生物学与合成化学相结合的天然药物分子 高效精准制备和新药物分子的发现，获得一批具有自主知识产权 和临床应用前景的新型天然药物分子，为天然药物创制方式的变 革提供可借鉴的范例。 二、关键科学问题 （一）天然药物分子生物合成的化学机制、酶学机制与反应 规律。 （二）天然药物分子进化与演变的物质基础。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“天然药物分子的生物合成与创 新”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 “催化反应微区热耦合机制与调控”重大项目指南 多相催化反应过程必然伴随着能量的传递。脱氢、重整、裂 化、加氢、氧化、聚合等常见反应均具有强吸放热效应，是影响 化工过程安全性的关键因素，并导致高能耗和高排放。催化反应 微区结构影响反应路径，反应热随动力学过程呈现非线性变化； 同时，多相间的传热速率正比于传热面积和温度差，并受到多相 间的热传导、热对流和热辐射等不同途径的影响。拟构建强吸放 热反应系统的调控方法，结合化工过程强化手段，实现强吸放热 反应过程的高效稳定运行和节能减排，从反应源头保障化工本质 和过程安全。 一、科学目标 拟针对催化过程中反应热与传热的耦合过程，在催化反应微 区、催化剂颗粒、反应器等多层次进行研究，揭示纳微尺度上催 化活性位微区反应热与传热的演变规律，发展用于检测活性位微 区和反应器中温度变化的原位动态表征技术；明确能够适应强吸 热和强放热反应过程的催化材料结构特征，建立热学性质可控的 催化剂工程制备策略；设计与强吸放热过程匹配的反应器结构， 利用过程强化手段，提高反应过程能量利用效率，提升化工过程 的稳定性和安全性。针对典型强吸放热反应过程开展工程化研究， 构建 1-2 个节能降耗、绿色安全的示范工程，开辟化工领域的特 色方向。 二、关键科学问题 （一）催化活性位微区结构对反应热效应的影响规律。 （二）多相间反应热与传热的非线性匹配机制。 （三）多相热耦合反应与系统能量优化机制。 三、申请要求 （一）申请书的附注说明选择“催化反应微区热耦合机制与调 控”（以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理） 。 （二）咨询电话：010-62329320。 国家自然科学基金委员会办公室 2021 年 8 月 4 日印发