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赞!我校8项科技成果获2017年度陕西省科学技术奖

归档日期:06-06       文本归类:二阶几何连续      文章编辑:爱尚语录

  月22日上午,陕西省科学技术奖励大会在陕西宾馆召开,省委书记胡和平等领导出席大会,会上宣读了《陕西省人民政府关于2017年度科学技术奖励的决定》。我校杨祖培副校长、获奖代表及科技处负责同志参加了会议。

  大会共表彰2017年度陕西省科学技术奖励251项,其中一等奖38项,二等奖111项,三等奖102项。我校主持申报的8项科技成果获奖,其中二等奖6项,三等奖2项。另外,我校参与完成的3项成果获奖,其中一等奖1项,二等奖1项,三等奖1项。

  级电容器作为未来能源存储器件显示了强大的应用优势,受到了各国政府和研究者高度关注,但能量密度低及倍率性能差等问题制约了其大规模开发和应用。提高其能量密度的主要途径是开发新型电极材料和组装不对称超级电容器,特别是要同时实现超级电容器的高功率密度和高能量密度,达到材料快速储存超高能量仍然是该领域具有挑战性的研究课题。

  经过近十年的潜心研究,该项目主要利用氧化物纳米层所具有的大比表面积和层状结构所具有的离子快速迁移优势,以石墨烯、层状氧化锰和层状二氧化钌等纳米层状材料剥离得到的纳米层为组装单元,发展了系列纳米层状电极材料制备新技术,研究了不同组分纳米层孔洞化对材料电容性能的影响规律,实现了纳米层状电极材料的结构调控;通过不同结构电容器匹配设计及拓宽电容器电势窗口等手段,研究了制备材料电化学反应机理和电荷储存本质,实现了组装材料能同时发挥双电层电容和赝电容双重存储机制,为解决超级电容器电极材料比能量密度低等突出问题提供了新策略,实现了超级电容器电极材料设计、结构调控和性能的进步。主要科学贡献如下:

  (1)开发了剥离/组装反应制备功能性层状及三维网络结构电极材料新技术,实现了温和条件下功能性层状及三维网络结构电极材料的可控制备,为开发高比容量及高倍率性能电极材料提供了新途径;

  (2)成功开发了超薄碳纳米筛和金属氧化物纳米层孔洞化制备新技术,阐明了碳纳米筛、石墨烯纳米层及金属氧化物纳米层孔洞化形成机制,为实现超级电容器高倍率性能下的比能量密度低等突出问题提供了解决新策略;

  (3)开发了系列兼具双电层电容和氧化还原电容二种电荷贮存机制,大比表面积和高法拉第反应速率超级电容器用电极材料,为超级电容器在大功率密度下的高能量密度实现提供了新思路;

  (4)发展了通过电极材料优化组装不对称超级电容器器件方法学,为构建大电流充放电下循环稳定性好、能量密度高超级电容器器件提供了优化途径;

  (5)开发了新颖形貌氧化锰微/纳米电极材料制备新技术,为特定尺寸和形貌微/纳米结构电极材料可控制备提供了新途径。

  项目属于统计物理与复杂系统研究领域,是完成人长期持续研究非线性动力学、耦合非线性系统活动规律及其在复杂系统中应用的成果。

  项目立项时以混沌为代表的非线性动力学研究已经取得了大量研究成果,积累了许多处理不可解析分析问题的研究方法。进一步的发展方向是在更多自然现象和复杂系统中应用非线性动力学的方法。一方面,人们根据自然现象提出了一些新的非线性动力学单元的模型,它们的性质需要被研究。另一方面,非线性动力学开始关注耦合系统动力学,成为研究自然界中广泛存在的复杂系统的有力工具。在非线性动力学中,混沌运动问题所研究的是决定论系统中出现的随机运动,它很可能对解决统计物理的基本问题具有根本的意义,因而是非平衡态统计力学的部分内容。而热传导等非平衡态问题也向着非线性动力学模型模拟研究的方向发展。

  完成人在非线性动力学系统中具有新特征性的动力学行为方面取得了一系列成果。研究的对象包括既不连续又不可逆映象的动力学和神经元模型动力学。在不连续又不可逆映象对扰动的响应中发现了系统锁频参数区间形成多重魔梯。它不同于一般非线性系统的魔梯,不具有通常魔梯的三种特性。这些研究发现了更加复杂的锁频行为,改进了人们对于锁频行为的认识。在神经元动力学的研究中发现了放电静熄的现象,提出了耦合信号导致系统从极限环跳转到不动点的机制,增加了人们对于神经元这种非线性振子的动力学特性的认识。

  完成人在多动力学单元耦合系统的研究中取得了一系列创新性成果。研究的问题包括耦合不连续映象的时空混沌,时空混沌向同步转变的规律,耦合非线性振子模拟的低维热传导,神经元模型网络中的吸引子对同步的影响,耦合的拓扑性质对同步的影响,并且研究了多单元相互之间的耦合构成的复杂网络,解释了它的一些统计性质的涌现机制。在非线性振子的同步方面,研究发现了循环同步斑图,完全周期同步的前奏动力学,放电静熄导致的中等同步态。在耦合振子模型的热传导中发现了能量局域化导致的负微分热阻。在光场驱动下的非线性耦合机械振子系统中,发现了非线性二次耦合作用激发稳定的自持振荡。在耦合结构的拓扑属性方面,提出了反匹配属性涌现的机制。

  本项目的研究发表以后得到了同行研究者的关注。部分代表作被其他研究者拓展,或者得到了引用文献的肯定的评价。代表性论文被高水平期刊引用,包括权威的研究期刊Phys. Rev. Lett.和著名的综述期刊Phys. Rep.。本项目的20篇代表性论文在 SCI 数据库中被引用 140 次,他引 75 次。

  项目属于化学反应动力学、有机半导体电子学等多学科交叉领域的基础研究。主要针对大气自由基化学反应、生物分子的质子转移与去甲基/氨基反应、吸热型碳氢燃料裂解反应、有机半导体电子转移反应等体系中的基本科学问题,采用量子化学与分子力学相结合的(QM/MM)理论方法模拟预测目前实验上无法或难于测定的相关物理化学微观性质。在国家自然科学基金和陕西省自然科学基金的资助下,对上述四类重要反应体系的微观机理与动力学性质进行了不断深入研究,取得了一系列重要研究成果。该成果已于2016年获陕西省高等学校科学技术成果一等奖(登记号9612017J0080)。具体内容包括如下四个方面:

  (1)采用量子力学与分子力学相结合方法系统研究了三大类14个系列160多个多功能有机半导体材料分子中的电子转移反应性质,并对部分化合物的载流子迁移率或太阳能转化率等性质进行了理论预测。同时改进完善了计算电子耦合积分和评估载流子迁移率各项异性的物理模型与基本公式,发展了计算给体HOMO与受体LUMO之间耦合积分Vif的方法与程序。这一研究成果为设计合成具有高载流子迁移率和空气稳定性的有机光电材料提供了理论指导;

  (2)采用量子化学计算方法系统研究了40多个含硫/氧小分子自由基与大气物种典型反应体系,深入揭示了大气自由基反应、水助催化反应的微观机理、多重度基本规律、二次有机气溶胶形成机理以及影响因素,为消除大气雾霾污染及改善大气环境等相关应用研究提供了理论参考;

  (3)应用量子化学从头算方法,研究了质子化位置及C5-甲基化对胞嘧啶与亚硫酸氢盐加成反应微观机理的影响,成功揭示了亚硫氢酸盐探测DNA中胞嘧啶甲基化位置的微观机理,也为探索最佳的DNA甲基化检测条件提供了理论依据;

  (4)采用密度泛函(DFT)方法研究了吸热型碳氢燃料热裂解机理及动力学性质,并结合Chemkin II和Heatsink程序模拟预测了热裂解产物分布与热沉,提出了提高热沉的最佳裂解路径,为合成出易裂解、密度大、总热沉高的吸热型碳氢燃料提供参考。

  该项目研究成果先后在《Journal of Physical Chemistry A/B/C》、《Physical Chemistry Chemical Physics》、《Organic Electronics》、《Synthetic Metals》和《中国科学-化学》等物理化学主流期刊发表论文70篇,其中SCI收录67篇。论文发表后受到国内外学术界的关注与同行的引用。截至2017年4月1日在SCIE库上检索,这些论文被《Chemical Reviews》、《Chemical Society Review》、《Angewandte Chemie-International Edition》、《Nature Communications》和《Chemical Communications》和《中国科学-化学》等化学类重要学术期刊引用331次,其中他人引用229次。培养博士5人,博士后2人,硕士20人,从课题组毕业学生或出站博士后中已获得国家青年基金4项,博士后基金1项,应急管理项目2项。这些项目的获批立项也说明了我们在上述领域的研究得到了国内同行的高度认可。另外,采用量子化学与分子力学相结合的(QM/MM)理论方法模拟预测目前实验上无法或难于测定的相关物理化学性质及解析化学反应微观机理,已成为化学学科研究中不可或缺的重要方法。这是本项目研究成果不同于其它化学类实验研究项目最为显著的特点之一。

  目涉及数学、物理学及计算机科学,属多学科交叉。受国家和省自然科学基金等项目的资助,发表论文50余篇,本次提供20篇代表作,17篇被SCI收录,3篇被EI收录。12篇被SCI文献引用,累计被引124次,他引101次;2篇被CCD引用,累计被引32次,他引28次。单篇SCI论文被引46次,他引27次。主要研究内容和科学发现概述如下:

  (1)非线性问题研究中,构造性研究更接近问题的实质。吴文俊于1978年创立了吴方法,在方程求解、几何定理机器证明等的应用获得了巨大成功。数学机械化思想在传统而古老的研究方法中的融入,获得了许多新结果,尤其是对怪波、爆破波、尖峰波的研究,为与之相关的灾难事故的预防提供依据。项目给出若干孤立波解、孤子解、群不变解以及摄动解的求解方法,构造了大量新的精确解。

  (2)研究中心辛几何中不变曲线流和非交换可积系统间的关系,从几何角度获得微分系统可积性质的全新认识。建立了二阶矩阵KdV梯队与中心辛几何中非伸缩的不变曲线流之间的联系,推广了经典单分量KdV方程来自二维中心仿射几何的结论。

  (3)守恒律在可积性质研究中扮演重要作用。可积的非线性系统大多拥有无穷多守恒律,但人们面临如下问题: 一是有无穷多个守恒律,但大部分的物理意义尚不清楚;二是一些有物理意义的守恒律又没找到。设计并实现的构造方法可尽可能多地寻找被遗漏及未发现的守恒律。

  (4)对称群分析中,标准的有经典和非经典李群法。传统连续群研究中,要研究连续群应先研究其子群李群,研究李群应先研究李代数,再由李第一基本定理得到李群、离散群,继而到一般的连续群。要得到复杂系统的李代数非常困难,得到李群也非易事。项目采取逆向方式,创立求一般对称群而无需先求李代数的方法,此项内容已获得创新性突破。

  (5)逆Sturm-Liouville是微分算子逆问题研究的代表,是求解非线性演化方程的有效途径。伴随SL算子逆结点问题,Dirac算子的逆结点问题受到关注。项目借助Riccati类型方程、Weyl函数的高能渐近性等,结合特征函数在内部子区间上某点的信息,证明唯一性定理,为逆问题研究提供新数据。

  (6)信号的特征提取是故障诊断的关键技术之一,其实质是用基元函数的线性组合逼近特定信号,关键问题是基元函数与要提取的特征信息匹配。信号由多种特征的波迭加而成,不同特征波形的共存给基于信号展开理论的特征提取造成困难。其原因是使用傅里叶基的傅里叶变换提取会冲淡信息;使用时频都有很好局部化的基函数,则无法合理反映周期信息。项目融合基于紧支框架理论的参数基函数特征提取方法和基于滤波器组的非参数特征波估计方法,给出新的自适应提取方法。

  (7)图像分割是计算机视觉领域的经典难题。应用中,图像结构迥异、组织成像悬殊等因素决定了普适的分割方法较难获得。水平集方法是图像分割领域研究的热点。基本思想是将可变形的曲线(面)作为零水平集嵌入到高一维的水平集函数中,在处理演化时,通过不断更新水平集函数使得零水平集发生变化,从而达到演化曲线(面)的目的。Caselles和Malladi等几乎同时将水平集方法引入图像处理,创立了几何活动轮廓模型。Caselles随后提出的改进方法适用于强边缘图像分割,对没有明显梯度变化的边缘逼近效果不理想。Piecewise Constant模型及通过分段光滑函数克服PC模型缺点的Piecewise Smooth模型均存有缺陷。项目将边缘型和区域型思想结合,使用局部统计信息和区域描述信息,构建混合型水平集模型,弥补了上述方法的不足。

  研究项目属于分析化学和生命科学等多学科交叉领域的应用基础研究类项目。在5个国家自然科学基金项目 (20775046,20805028,20805029,20975065,21027007) 的持续资助下,项目组经过多年持续研究,在电化学发光和电化学生物传感新方法方面进行了深入系统的研究工作,不仅以传统的酶、抗原/抗体和单链DNA为分子识别物,而且以近年来新发展的适配体、DNA酶、凝集素、多肽等为新型分子识别物,成功合成了十余种电化学发光和电化学新型生物探针,创新性建立了5种新型分子识别物或生物探针的固定化方法,建立了测定抗原/抗体、基因、细菌、酶、毒物等高灵敏度、高选择性电化学发光和电化学分析新方法;提出了多种提高信噪比新策略;揭示了电化学发光生物传感信号传导、识别反应和响应模式对传感方法灵敏度和选择性影响的一些规律;解决了电化学和电化学发光生物传感方法中存在的灵敏度低、选择性差、重现性和再生性差等方面的一些难题。

  该研究成果在分子识别机理、信号增强策略、传感响应机理及应用等方面有多项原始性创新,为生命相关物质检测提供了新的检测器件和分析新方法,为生物传感器、生物芯片的理论研究和应用研究,特别是电化学发光和电化学生物传感分析新方法的研究提供了新的研究思路和基础性研究资料,为临床检测一些生物活性物质提供了新的检测器件和分析方法,促进了我省瑞迈分析仪器公司电化学发光分析仪器研制和生产销售,具有重要的科学意义和应用价值。

  项目属于化学化工领域无机材料化学方向的应用基础研究,属无机固体化学、无机合成化学及无机非金属材料学等多学科的交叉学科。

  在国家自然科学基金项目(21141001,51272151)、陕西省自然科学基金(2005B16,2014JZ002)、陕西省科技攻关项目(2005K06-G18,2009K06-05)、西安市科技转移项目(CXY1126(1)),(CXY1349(4))、CXY1523(2))、陕西师范大学中央高校基本科研业务费重点项目以及通用电气中国研究中心、西安创联电器横向课题的资助下,本课题从白光LED照明用系列发光材料的制备、光学性能及应用的角度出发,开发了一系列LED照明用红色、黄色、绿色和蓝色发光材料,同时也开展了高性能LED照明用发光材料的低温烧结技术、荧光性能提高和应用基础研究,其主要研究内容如下:

  1. 通过发光材料合成方法创新,显著降低了固相合成发光材料的工艺温度,实现了室温控制性制备高性能发光材料。

  2. 采用共沉淀技术合成了氟硅酸盐和氟锗酸盐以及钨钼酸盐发光材料,通过工艺过程实现了发光性能和微纳米结构调控,发现了钨钼酸盐的结构和颗粒形貌随稀土元素的变化规律。

  3. 提出了提高特殊结构发光材料性能的新方法,发现陶瓷界面层可显著提高核壳结构发光材料的性能,构建了选择性调控核壳结构发光材料性能的界面层应用模型,实现了通过界面层调控核壳结构发光材料,为其在实际生产中的应用奠定了基础。

  本项目成果公开发表后,受到了国内外学术界的较高关注和企业界的关注,其中39篇研究论文被SCI收录,60多篇主要研究成果在国内外主流期刊上正面引用或评价至少460次,项目20篇代表作正面引用230余次。其中发表在Journal of Materials Chemistry C上的研究论文,由于其短时间多次被引用而被列为ESI高被引论文,同时被相关企业关注并正在生产转化中,充分说明了本项目研究工作的影响度。

  酸盐种类繁多,结构复杂多样,经常是功能材料的来源。硼的化合物有广泛的用途,如可用作非线性光学材料、发光材料、阻燃材料、晶须材料及微孔材料等。因此,关于硼酸盐的合成、结构及其性能研究一直是拥有巨大探索和开发潜能的不老课题。

  本课题在国家自然科学基金(20871078)和陕西省自然科学基金(2002B1,SJ08B01) 资助下,围绕“硼酸盐的合成与性质”这一重要科学问题开展了一系列深入系统的研究工作,主要研究内容包括:(1)复盐的相转化法制备硼酸盐;(2)硼酸盐水溶液结构;(3)新型硼酸盐晶体材料的合成、结构与性质;(4)新型无机-有机杂化硼酸盐的合成、结构与性质;(5)新型硼镓/铟酸盐微孔晶体材料的合成、结构与性质;(6)功能型硼酸盐的热化学性质。本研究的发现点、发明点和创新点如下:

  (1)在用复盐2MgO·2B2O3·MgCl2·14H2O的相转化法制备硼酸盐中,得到青藏高原盐湖沉积矿物中存在的所有镁硼酸盐,尤其获得通常在实验室难以制备的库水硼镁石,以及在室温附近得到柱硼镁石,把该硼酸盐的形成温度降低了13 ℃,从地球化学角度来讲这具有重要意义 ,这从理论上解释了长期以来难以说明的青藏高原盐湖沉积大量库水硼镁石和柱硼镁石的形成条件,初步解决了这一成盐地球化学难题。(参见代表性论文6, 9,10和14)

  (2) 采用差示FT-IR光谱技术和Raman光谱研究了几种硼酸盐饱和水溶液中硼氧配阴离子的存在形式及其相互作用以及与析出固相的关系,为控制合成硼酸盐提供了理论基础。(参见代表性论文8)

  (3)在合成的新型水合硼酸盐中,首次发现能够独立存在的七硼氧配阴离子B7O9(OH)5]2-和实验室中所合成的最大的独立存在的硼氧配阴离子[B14O20(OH)6]4-。这一发现丰富了硼酸盐的结构化学。(参见代表性论文1和3)

  (4)合成了首例混合配体无机-有机硼酸盐[Ni(C4H10N2)(C2H8N2)2][B5O6(OH)4]2, 产物中的两个有机配体乙二胺(en)和对1,4—二氮环己烷(PPZ)是来自原料有机碱三乙撑四胺的原位分解。其中1,4—二氮环己烷配体的两个氮原子同时参与Ni2+配位,这一独特的配位形式在配位化学中非常少见。(参见代表性论文4)

  (5)合成了首例含有混合阳离子和混合阴离子的新型硼酸盐微孔晶体材料Li2Sr4[B10O18][B2O5],该晶体具有12-员环通道,且具有双离子交换作用。(参见授权发明专利1)

  (6) 通过溶剂热法合成的首例具有B-O-Ga骨架的K2[Ga(B5O10)]·4H2O 微孔晶体材料, 具有手性空间群和三维开架结构,具有11-元环交叉通道。这一发现丰富了微孔材料的类型及结构化学。(参见代表性论文2)

  (7)利用离子热反应合成了首例由硼氧配阴离子和多羧酸配体共同构筑的异核微孔晶体材料,Co5In (BTC)4[B2O4(OH)]2。这一发现开辟了合成MOFs材料的新途径。(参见代表性论文5)

  项目属于自然地理学、环境地理学、环境地质学等学科领域的基础研究,受到教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-05-0861)、陕西省自然科学基础研究计划项目(2003D04和2016D14)和陕西师范大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(GK200901008)资助。主要内容是,以西北主要城市地区为例,研究室内环境放射性水平及辐射暴露风险,取得了以下创新性成果:

  1. 通过调查采样测试分析,查明了西北地区主要建筑主体材料及建筑装饰材料的天然放射性水平,分析了各地建筑材料天然放射性水平差异的原因,依据我国西北地区建筑物特征及居民室内居留时间的实际调查资料,构建了居民所接受建筑材料放射性核素伽马辐射的年有效剂量估算模型。依据模型对西北地区建筑材料所致居民的辐射暴露风险进行了评价。研究成果在建筑材料的安全使用及居民伽马辐射暴露的防控方面具有重要意义。

  2. 采用氡钍分析仪及CR-39固体径迹累积测量法研究了西北地区主要建筑材料氡、钍射气的析出速率及特征;探究了建筑材料氡、钍射气析出的影响因素;依据不同建筑材料氡、钍射气析出实验数据、影响因素等基本数据资料通过数学建模方法构建建筑材料氡、钍射气的析出模型;依据建筑材料放射性核素水平及析出模型,评价建材材料对室内空气中Rn-222及Rn-220的可能影响与贡献。研究成果对于室内空气Rn-222及Rn-220的防控提供了科学依据。

  3. 采用连续测氡仪和固体阿尔法探测器研究了西北地区生活用水中Rn-222和Rn-220的浓度水平,探讨了生活用水中Rn-222和Rn-220浓度变化的规律及控制因素;通过理论分析及现场监测研究了生活用水中Rn-222、Rn-220对室内空气中Rn-222、Rn-220浓度的影响与贡献,评估了生活用水中Rn-222、Rn-220的辐射危害。研究成果为室内空气中Rn-222和Rn-220的溯源提供了依据。

  4. 利用连续瞬时监测及固体径迹累积测量方法研究了西北地区室内空气中Rn-222和Rn-220的浓度水平,探讨了室内空气中Rn-222和Rn-220浓度的变化规律及影响因素,估算了氡、钍射气对人体所产生的辐射剂量,评价其辐射风险。

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