2020年自然科学奖一等奖（17项）项目简介，你看懂了几个？（自然科学奖名单）

文末有彩蛋

2020年自然科学奖

一等奖（17项）

G蛋白偶联受体的结构

与功能研究及药物发现

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。G蛋白偶联受体（GPCR）在细胞信号转导中发挥关键作用，是最重要的一类药物靶标蛋白。项目组聚焦GPCR的信号转导机制和药物作用机理，通过解析多种与艾滋病、血栓和糖尿病等重大疾病相关GPCR的三维结构，阐明不同类型受体对细胞信号及配体分子的特异性识别机制，以及受体功能的调控模式，为深入理解GPCR发挥生理、病理功能的分子机制提供重要基础；发现全新药物作用位点，阐明多种药物的治病机理，为开展GPCR药物研发指明新方向；开展基于结构的药物设计和筛选，候选药物进入临床研究。项目5篇代表性论文全部发表在国际顶级学术期刊Science和Nature上，他引1000余次，单篇他引最高411次。

八面体基元与三维限定相变理论指导高速低功耗相变材料的设计与开发

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。相变存储器基于相变材料在非晶态和晶态之间的快速可逆转变实现信息存储，是新型存储技术最前沿研究领域。相变材料纳秒/皮秒级可逆相变机理是国际公认难题。本项目提出八面体原子基元与三维限定可逆相变理论，提出八面体基元是相变材料的基因组织，提出筛选八面体的四项基本原则；在该理论的指导下采用稳定八面体基元，设计开发出世界上速度最快相变材料；采用自主三维限定C-GST材料，实现了128Mb相变存储器芯片，为打印机耗材用全球首款嵌入式PCM量产奠定基础。本项目阐明了相变材料高速、低功耗可逆相变的实质，研究成果有助于推动我国新型非易失存储技术的发展。

电磁场调控金属结晶微观组织机理

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目基于电磁场独特的无接触“力-能-热”效应，开辟了金属结晶过程电磁场调控新途径。阐明了静磁场下液态金属结晶中多尺度热电磁力及其对微观组织作用机理，发现在晶体中热电磁应力效应造成结晶液固界面失稳和枝晶断裂，细化结晶组织，提出了磁场控制微观组织新方法；在弱磁金属中发现磁场影响晶体界面能从而调控结晶取向的作用，建立磁场影响晶体取向模型，提出了制备各向异性材料的新原理；发现磁场下电结晶界面附近微观磁流体运动及其界面形态演化规律，提出微观磁流体运动理论及其作用模型。基于项目成果提出的多项电磁场控制金属结晶过程新技术，解决了宝钢等企业诸多“卡脖子”问题，在高品质金属材料制备中有广阔应用前景。

动力学驱动的数据科学理论和方法研究

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目建立和发展了动力学驱动的数据科学理论体系，特别是建立了复杂疾病及动态过程的临界状态的预警方法和理论，提出了基于数据检测临界状态的必要条件及动态网络标志物(DNB: dynamic network biomarker)方法；发展了全新的偏独立性(partial independence)及部分互信息(part mutual information)概念和理论，建立了直接关联网络构建方法；建立了非线性网络控制的时间及能量问题，发展了闭环控制器设计方法。与传统的统计学驱动的数据科学理论不同，我们的动力学驱动的数据科学理论体系，催生了一系列动态特征挖掘与分析方法，开辟了新方向。成果被国内外团队广泛应用于复杂疾病研究，公共卫生实时监测、时间序列预测等方面，有力推动了动力学驱动的数据科学理论建立和发展。

复杂多孔介质热质输运及热辐射传递机理

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目针对多孔骨架与热载体之间的复杂相互作用难题，开展了复杂多孔介质热质输运与热辐射传递机理的系统性研究。揭示了复杂多孔介质的局域非热平衡效应，发现了浮升力驱动下的流动传热机理，突破了传统热平衡分析方法的局限性；阐明了多孔介质内气泡行为及沸腾传热机理，提出了多孔介质对传热性能和临界热流密度的提升方法；揭示了热辐射波在多孔骨架中的散射与传输机理，实现了多孔结构热辐射特性的准确预测与主动调控。研究成果有助于推动复杂多孔介质在航空航天、能源、国防等热传递领域的深入应用。

高迁移率半导体二维黑磷的发现

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目发现了新型半导体材料二维黑磷，并首次在二维黑磷中实现了场效应晶体管，器件开关比高出石墨烯器件4个数量级，室温迁移率优于商用硅基晶体管，开辟了一个全新的半导体研究方向；实现层数、机械应变以及压强对二维黑磷能隙的调控，使其能隙可以全面覆盖从远红外到可见光这一个对光电应用有重要意义的光谱范围，在红外探测、通信、太阳能柔性电子等领域有广阔应用前景；在黑磷器件中观测到量子霍尔效应，展示了二维黑磷超高的载流子迁移率，为将来基于二维黑磷的器件研发奠定了基础。

基于氨基酸的有机催化剂设计、

合成及其应用

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目围绕高效不对称有机催化、立体选择性地构筑手性中心等挑战性问题，基于酶最基本结构单元氨基酸，发展了一系列新型仿酶（生）的有机小分子及高分子负载型的有机催化剂和高对映选择性、环境友好的反应新方法和合成策略，探索了有机小分子仿生催化、模拟酶催化机理以及化学键选择性的构筑规律，系统地研究了羰基不对称还原、缺电子不饱和烯烃不对称环氧化、不对称碳-碳（杂）键形成和催化多组分串联等反应；提出了手性氨基膦双试剂离子对催化和氢键-离子对协同催化概念，解决有机催化效率低等问题；提供了手性化合物制备、光学活性药物和天然产物合成的新方法和思路，实现了若干手性药物的环境友好绿色催化新工艺。该项目研究成果将有助于提升有机催化化学及手性药物的合成及其新工艺等领域的研究与发展。

基于角度调控理念的新型手性催化剂创制及高效不对称催化反应研究

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目基于张角、二面角和扭角等“角度调控”设计理念开发了中心手性双环咪唑骨架有机催化剂、轴手性联苯骨架过渡金属催化剂和面手性茂金属骨架过渡金属催化剂，并利用“双手性金属协同催化”和“弱作用力促进”等反应调控策略，实现了含两个手性中心产物的立体发散性合成、挑战性底物的高效不对称氢化转化和含四取代手性中心氮杂环的构建等反应。项目成果为新型手性催化剂的创制、高效不对称催化反应的开发以及重要手性化合物的工业化合成提供了新策略和新方法，促进了不对称催化和有机合成化学等领域的发展。

频率可调型宽带微波吸收材料

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目针对电磁信号污染、高频无线通讯、电磁屏蔽防护与国防隐身装备等领域的迫切需求，研制和发展了频率可调型宽带微波吸收材料，改善了现有吸波材料的实用性；基于材料介电极化特性调控，建立了纤维铺排角、材料长径比等新颖的吸收频率调控策略；基于阻抗匹配原则，发展出二元钴镍强磁性合金为核的系列核壳结构宽频吸波材料，拓宽了吸收频率的调控范围；发展了原位可加电磁场的电镜技术，揭示了材料电磁特性的表界面调控机制，解决了长期困扰吸波材料研究的电磁微观机制问题，阐明了构效关系。建立了吸波材料的灵活调频的普适性策略，有助于推动介电材料、磁性材料、吸波材料等领域发展。

器官发育与再生中细胞起源与命运研究

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目主要建立并发展了基于双同源重组酶的遗传谱系示踪新技术，突破传统示踪方法不特异的技术瓶颈；发现哺乳动物冠状动脉的发育起源；提出新生期心脏具有重新生成冠状动脉能力的理论；揭示了成体心脏损伤修复中新生血管的形成机制；系统阐明哺乳动物心脏发育与再生中心肌细胞的起源；证明成体心脏中新的心肌细胞主要来源于自我增殖；解决了成体心脏是否存在心肌干细胞的重大科学争论。研究成果有助于发育生物学、干细胞生物学、再生医学等领域发展。

强震扰动区复杂孕灾环境下岩土体失稳演化机理与全过程灾变理论研究

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。我国是世界上大陆强震最多的国家，灾害损失巨大，强震扰动区地质灾害防治研究是国家重大防灾需求。项目聚焦“强震扰动区复杂孕灾环境下岩土体失稳演化与全过程灾变机理”，以“阐明成灾演化机理、构建全过程灾变理论、建立精细化防灾减灾方法”为研究主线，历经十余年研究，揭示了强震作用下岩土体多阶段变形流动的“类液气”相变及多相态耦合致灾机制，形成了可定量描述强震扰动区岩土体灾害致灾效应的全过程灾变理论，提出了基于多源数据驱动与地质力学集成的岩土体灾害风险多层次多目标精细化分析方法。研究成果推动了地质灾害防治领域的进一步发展，为强震区灾后重建、重大工程防灾提供了科学理论指导。

视觉信息处理与行为发生的神经机制

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目聚焦“视觉信号处理与行为发生神经机制”核心问题，以斑马鱼为脊椎动物模型，利用自创的“既见森林（全脑）、又见树木（神经元）、甚或树叶（突触）”的研究体系，从突触-神经元-神经环路等多层面上，系统揭示了视觉信号在各级相关脑区的处理和行为产生的神经机制，首次发现视觉信号处理的两个新方式 -在视觉外周视网膜的功能可塑性和在视觉中枢受小胶质细胞的动态调节，揭示了视觉信号调节听觉功能的跨膜态神经环路，解析了逃跑和亮偏好这两个重要视觉行为的神经环路机制，提出视觉信息处理与行为发生的Bi-Pathway Brain Function假说。研究成果处于国际领先水平，激起了国际同行的跟进研究，推动了国际相关研究领域的发展。

铜基新型热电材料及其电热输运机制研究

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目针对传统热电材料大多含有价格昂贵或有毒的重金属、且其热电性能受电声输运强烈耦合难以提升的问题，开展了铜基新型热电材料的探索，发现离子导体中的声子横波阻尼效应，通过晶胞尺度亚晶格功能化设计获得“声子液体”新概念高性能热电材料；发现了原子/纳米尺度的微观界面结构差异化电声散射新效应，制备出具有反常非晶态热输运特征的纳米尺度马赛克晶体热电材料和超越“复合法则”的界面杂化结构热电材料；发现了固溶离子的掺杂和“钉扎”协同效应，获得了兼具高热电性能和良好热力学稳定性的铜基热电材料。研究成果有助于推动热电材料、离子导体、材料微结构等领域发展。

协同量子操控与量子干涉技术

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。激光的发明衍生了量子光学与原子光学，发展了光子与原子量子操控技术。随着操控技术水平的擢升，光子与原子展现进入协同量子区的趋势。项目顺应该趋势，开拓了光与原子协同量子操控与量子干涉技术，创新成果如下：突破传统量子光学框架，提出了光-原子协同量子操控及探测理论；基于协同量子操控新原理，首次实现量子关联干涉仪,突破标准量子极限；首次提出并实现光-原子混合干涉仪。项目成果包括Nature子刊与PRL等论文18篇、专著1部、专利5项，被 PRL 选为编辑推荐论文，APS Physics、Nature Photonics 亮点介绍。入选美国光学学会全球2014光学成果、获中国物理学会饶毓泰奖、国家十一五科技计划执行突出贡献奖。第一完成人获国家杰青，长江学者，3次科技部重大计划项目首席科学家，美国物理学会PRL学部副主编，美国光学学会Fellow，有效引领了领域发展，产生了重要的国际影响。

移动计算通信融合网络资源协同理论与方法

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目以通信理论和计算科学融合为导向，提出了一套以归一化传输时延为度量的移动网络服务容量极限理论，发现了通信、存储和计算的协同机理是通过收发节点协作编码缓存和冗余计算择机改变信道结构，以创造编码多播和协作传输机会，显著降低通信时延，拓展了后香农时代网络信息论；建立了以内容为中心的信息传输新范式，系统地提出了基站分簇、用户分组、波束赋形以及单播多播协同传输的优化准则与求解算法，开辟了物理层传输设计与优化的广阔新空间；构建了应对复杂网络和业务环境的边缘缓存和任务计算优化机制，揭示了实际系统中满足给定服务质量所需三维资源间的制约关系。研究成果为移动网络从传输管道到信息服务的设计转变提供了理论基础和技术支撑。

G蛋白偶联受体结构与功能的系统性研究

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。项目聚焦与人类重大疾病相关G蛋白偶联受体（GPCR）的系统性研究，分别揭示了与神经退行性疾病、糖尿病及癌症相关药物靶标GPCR的结构与功能关系。提出了大麻素受体的拮抗及激活机制。解析了糖尿病治疗最重要靶标GLP1受体与别构小分子复合物的三维结构并揭示其拮抗机制，为研发口服糖尿病药物提供了结构基础。使用冷冻电镜技术获得了趋化因子CXCR2与内源性配体IL8复合物的空间结构，为探索趋化因子受体家族的激活机制和癌细胞迁移之间的关系提供了新思路。总之，该项目的研究成果有助于深入了解相关重大疾病发病机理并开展针对特定靶点分子的精准药物设计。

人类卵子及卵泡发育异常的遗传学研究

项目获2020年度上海市自然科学奖一等奖。不孕不育已成为影响人类健康的重大疾病。卵子及卵泡发育异常是引起女性不孕的主要因素之一。本项目围绕卵子及卵泡发育异常相关疾病的遗传学展开研究。发现了三种人类新孟德尔遗传病：卵子GV期阻滞、MI期阻滞及早期胚胎停育。分别明确了导致这些疾病的第一个致病基因及致病机制；首次鉴定出人类卵泡液中存在microRNAs，并系统地研究了功能；解析了一系列基因的遗传、结构、修饰变异与多囊卵巢综合征之间的关系。该项目成果扩展了女性生殖疾病的遗传学研究内容，为女性不孕的临床诊断提供了系列分子标记物，为相关患者的精确诊断、遗传咨询及最终的靶向治疗奠定了基础。

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编辑：四月