明確基於四類科學問題屬性的資助導向是自然科學基金委確立的三大改革任務之一。為使廣大申請人準確理解和把握四類科學問題屬性的具體內涵，根據科學基金深化改革工作要求，自然科學基金委編制了四類科學問題屬性典型案例庫，現予以發布，供申請人在選擇科學問題屬性時參考。自然科學基金委根據各科學部的資助工作特點，共列舉典型案例83個，其中「鼓勵探索、突出原創」案例19個，「聚焦前沿、獨闢蹊徑」案例21個，「需求牽引、突破瓶頸」案例24個，「共性導向、交叉融通」案例19個。
醫學科學部典型案例模版
生命科學部典型案例
信息科學部典型案例
工程與材料科學部典型案例
化學科學部典型案例
地球科學部典型案例
數理科學部典型案例
數學：保持哈密爾頓系統結構的數值分析理論
在構造天體力學、量子力學、電磁學等學科中許多數學模型的數值算法時，需要儘可能多的保持原系統的內在對稱性、守恆性等物理特性，傳統算法並未針對這些物理特性或本質特徵來構造數值格式。我國學者針對經典哈密爾頓系統，創立了一種幾何上定性、數值上定量的數值分析理論，應用生成函數法和冪級數法構造辛格式，既嚴格保持哈密爾頓系統辛幾何結構，又很好的保持其物理性質，徹底解決了長時間計算穩定性問題，現稱這種高性能新型算法為辛算法。辛算法在哈密爾頓系統的數值計算中表現出獨特優越性，具有很強的數值預測能力和數值跟蹤能力,在其它許多科學、技術和工程領域也有廣泛而深刻的應用。辛算法的保結構思想已成為現代計算數學算法構造和分析的基本理念，開啟了現代科學計算的一個重要研究方向-保結構算法的研究。
力學：湍流的時空關聯理論和方法
湍流是流體力學的核心科學問題，時空關聯反映了湍流的時間和空間尺度耦合的統計特性，其裡程碑成果是它的泰勒模型和Kraichnan模型。但是它們均不能反映湍流的渦傳播和畸變的耦合效應，從而限制了對湍流時空耦合規律和湍流噪聲產生機制的基本認識。我國學者引入湍流時空關聯過程自相似的概念研究湍流的時空耦合，將柯爾莫哥洛夫和泰勒的理論結合起來，提出了時空關聯的EA模型，解決了泰勒模型和Kraichnan模型缺乏渦傳播和畸變耦合效應的問題。在此基礎上，發展了湍流大渦模擬的時空關聯方法，由此得到的湍流模型克服了能量平衡法的根本缺陷，它們能夠正確計算時空能譜，進而精準地預測湍流的噪聲譜。上述原創成果開闢了湍流領域一個新的研究方向，並在高速運載裝置的湍流噪聲問題中得到了重要的應用。
天文：建立測量銀河系旋臂結構新方法
銀河系旋臂結構是天文學中持續時間最長但至今仍未解決的重大問題之一。儘管有關銀河繫結構的模型已有100多種，由於這些模型所依賴的天體距離的不確定性，使得一些基本問題，如銀河系尺度、旋臂形狀和數量等遠未解決。因此，精確測定天體的距離是研究銀河繫結構的關鍵。我國學者首次提出用甚長基線幹涉陣測量天體脈澤的三角視差距離來研究銀河系旋臂結構的方法，實現了天體測量技術的劃時代突破，使距離測量精度比以前天文學中的最高測量精度提高了兩個量級。通過該方法精確測定了銀河系英仙臂的距離，徹底解決了天文界關於英仙臂距離的長期爭論，並首次發現本地臂是銀河系的一條旋臂，徹底排除了天文界長期以來認為本地臂只是由零星物質組成的微小次結構的觀點，對經典密度波理論提出了巨大挑戰，率先提出並證實銀河系不是單純由宏偉的、規則的螺旋形主旋臂組成，而是在主旋臂間充滿著次結構的非常複雜的旋渦星系的觀點。該系統性、開創性的工作，被國內外專家評價為開創新時代、開拓新領域的裡程碑式的工作，推動發起了美國國立射電天文臺史上最大的國際合作項目-BeSSeL，獲得了廣泛認可的銀河系最精確的旋臂結構模型、基本參數和旋轉曲線。
物理Ⅰ量子反常霍爾效應的實驗發現
量子反常霍爾效應是一種不需要外加磁場、基於全新物理原理的量子霍爾效應。它不但是量子霍爾態得以實際應用的關鍵，還是很多新奇量子效應實現的基礎。實驗發現量子反常霍爾效應是凝聚態物理學的重大科學目標之一，二十多年來沒有實質性實驗進展。我國學者建立了Bi2Te3家族拓撲絕緣體分子束外延生長動力學並發展出高質量拓撲絕緣體薄膜材料的製備方法，首次製備出了同時具備鐵磁性、體絕緣性、拓撲非平庸性的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，在這種薄膜中首次觀測到量子反常霍爾效應。這是從原理上的全新實驗發現，是從0到1的研究工作。該發現被2016年諾貝爾物理學獎評獎委員會和獲得者霍爾丹列為拓撲物質領域近二十年來最重要的實驗發現，是建國以來我國物理學家發現的一個重要科學效應，為多種新奇量子現象的實現鋪平了道路。
物理II大亞灣反應堆中微子實驗發現新的中微子振蕩模式
中微子是構成物質世界的基本粒子，共有3種類型，不帶電，質量極其微小。不同種類的中微子在飛行過程中能相互轉換，物理學稱之為「中微子振蕩」。原則上三種中微子之間相互振蕩，應該有三種模式。其中兩種模式已被大氣中微子實驗和太陽中微子實驗所證實。第三種振蕩（對應中微子混合角θ13）則一直未被發現，甚至有理論預言其根本不存在。由於中微子混合角θ13是中微子振蕩的六個基本參數之一，也是物理學中的28個基本參數之一，其大小關係到中微子物理研究未來的發展方向，並和宇宙中的「反物質消失之謎」相關，科學意義重大，是國際上中微子研究的熱點。我國學者利用大亞灣反應堆功率高，探測距離優，山體屏蔽好的優勢，攻克了多項技術難關，完成樣機研製、工程設計、探測器建造和數據採集與分析，首次提出了系列降低系統誤差的辦法，精度比過去國際最好水平提高近一個量級，於2012年宣布發現新的中微子振蕩模式，並精確測定其振蕩機率。之後繼續保持高質量的運行，取得了世界上最大的反應堆中微子數據樣本，不斷刷新θ13、中微子質量平方差、反應堆中微子能譜等的測量精度，帶領中微子研究進入精確測量時代。
「聚焦前沿、獨闢蹊徑」典型案例
數學：擴充未來光管猜想的解決
擴充未來光管猜想，即擴充未來光錐管域是全純域。全純域是多複變函數中最基本、最重要的概念之一。起源於量子場論的擴充未來光管猜想已有40多年的歷史，被諸多世界數學家和物理學家研究而未得到解決，被公認為是著名的困難問題，是多複變函數論研究的前沿、核心問題。在許多著名文獻中，比如國際權威的《數學百科全書》「量子場論」條目都把它列為未解決問題。我國學者利用華羅庚建立的有關典型域的經典理論和方法，結合一些現代數學工具和技巧，獨闢蹊徑，完全證明了擴充未來光管猜想。這是一項具有中國多復變學派特色、得到國際數學界特別是多複變函數論領域充分肯定的研究成果，被認為是二十世紀下半葉數學發展的亮點工作之一，被評價為獲得了新知識，被寫入史料性著作《二十世紀的數學大事》、《數學的發展:1950-2000》。
力學：微米尺度異質界面中的結構超滑
結構超滑是表界面力學的重要研究領域，自1983年理論上提出有可能在兩個原子級光滑且非公度接觸的固體表面實現幾乎為零摩擦的狀態後，這種現在被稱為結構超滑的現象長期未得到證實。2004年荷蘭科學家首次在納米尺度、超高真空條件下觀察到石墨-石墨烯界面結構超滑。如何實現更大尺度結構超滑是學科前沿問題。2008年，我國學者首次實現微米尺度石墨片在室溫大氣環境下的自回復現象，並於2012年通過測量該體系單晶石墨界面摩擦力和自鎖現象，證實了2008年發現的自回復現象為結構超滑，從而確認了微米尺度結構超滑的存在。2018年，進而實驗展示了微米尺度石墨-六方氮化硼單晶界面中旋轉穩定的結構超滑特性。這些成果表明了我國學者在結構超滑領域研究中的國際影響力。
天文：建立恆星絕熱物質損失模型
恆星級雙黑洞、雙中子星、雙白矮星等緻密天體引力波源，以及X射線雙星、脈衝星、Ia型超新星等這些處於現代天文學研究前沿地位的重要天體，都是雙星演化的產物。這些天體在形成過程中一般會經歷雙星間的物質交換和公共包層演化過程。雙星間物質交換的穩定性，以及非穩定物質交換時形成的公共包層和演化，是雙星演化的兩個基本未解問題。人們在研究雙星演化形成的相關天體時，穩定性判據通常採用的是上世紀80年代末多方模型的結果，導致雙星演化理論和觀測上有很多顯而易見的矛盾。為了從根本上解決雙星演化的兩個基本問題，我國學者建立了恆星絕熱物質損失模型，用最少的物理假設還原了真實的物理過程，並在此基礎上研究了雙星發生非穩定物質交換的判據和公共包層演化過程，很好地解釋了激變變星的質量比上限。這些研究成果的應用，可以大幅度提高雙星相關天體研究的準確性和可靠性。基於該研究結果的雙星星族合成研究顯示，Ia型超新超新星誕生率嚴重不足的問題。
物理Ⅰ多粒子糾纏態的確定性製備
量子糾纏是多粒子間特有的一種關聯現象，利用量子糾纏態能夠使得測量精度超越標準量子極限，在量子計算和量子精密測量等方面具有重要的應用價值。多粒子糾纏態的製備與操控一直是物理學家孜孜不倦的奮鬥目標,但隨著粒子數的增多，通過系統粒子間的相互作用來演變成一個糾纏狀態的手段變得越來越複雜和低效。我國學者獨闢蹊徑，採用調控多粒子系統量子相變，確定性製備出了一種特殊的多粒子糾纏態。通過對鹼金屬銣-87原子玻色-愛因斯坦凝聚體施加連續調控的微波場，近絕熱的緩慢驅動凝聚體在基態連續發生兩次量子相變，實現了約11000個原子雙數態的確定性製備。測量顯示不同內態（磁子能級）間原子數差值的漲落低於經典極限10.7±0.6分貝，反映系統純度的集體自旋歸一化長度為近似完美的0.99±0.01。依據理論判據，這兩個指標反映該多體糾纏態用於幹涉測量時可以提供超越標準量子極限精度約6分貝的相位測量靈敏度，以及至少含有910個糾纏原子數（1標準方差的置信度），創造了當時能確定性製備的量子糾纏粒子數目的世界紀錄，在量子精密測量領域有較強的應用前景。
物理IILHCb實驗首次發現五夸克態
質子和中子具有更深層次的結構，它們是由夸克組成的。除了質子和中子，科學家在宇宙線和加速器實驗上還發現了上千個由夸克組成的粒子，它們被統稱為強子。已發現的強子大都由一個夸克和一個反夸克、三個夸克（或三個反夸克）組成。量子色動力學是描述夸克間強相互作用的基本理論，但由於其在原子核尺度上表現出的非微擾性質，目前人類還不能從第一原理嚴格預言強子的性質，理解強相互作用規律是當代粒子物理與核物理研究的最前沿課題之一。早在粒子物理「夸克模型」理論創建的初期，包括諾貝爾獎獲得者蓋爾曼等科學家就預言可能存在由五個夸克組成的強子，其後的五十年間實驗上沒能得出確切結論。2015年大型強子對撞機上的底夸克實驗組（LHCb）首次發現五夸克態。我國學者在研究重子衰變到過程中，發現不變質量譜中存在明顯的增強結構，研究發現該增強結構是由五夸克態導致，從而在實驗上確認了五夸克態的存在。五夸克態的發現豐富了強子譜學研究的內容，為探索強相互作用非微擾性質打開了一個新窗口。對五夸克態的形成機制和內部結構的研究有可能使我們對強相互作用的理解提高到一個新的層次。
「需求牽引、突破瓶頸」典型案例
數學：內爆多介質多物理過程計算方法
內爆過程是爆轟物理的重要過程，涉及高溫高壓極端條件下的多種複雜化學、物理過程和多介質大變形運動，其中爆炸、衝擊、輻射輸運核反應等過程數學物理模型和相關參數極為複雜，而多介質大變形、不穩定性與湍流混合對計算方法提出挑戰，一般的算法或軟體不能滿足爆轟研究的要求。我國學者針對多種物理性質差別極大的輕重介質大變形運動界面及後期界面兩側介質發生混合、具有強間斷係數和強剛性的三維輸運方程、多尺度的三維可壓縮流和輸運方程等問題，發展了自適應算法、移動網格法、拉氏方法、ALE方法、中子輸運、輻射輸運算法等眾多具有針對性的算法，發展了一批涉及多物理多過程的計算軟體，有效支撐了國家重大需求。
力學：太空飛行器系統動力學機理認知、設計調控及其應用
現代工程技術不斷催生新的動態系統，而系統自身日趨複雜，服役環境日趨苛刻，呈現突出的非線性、不確定性、多場耦合、多尺度、時滯傳輸等特徵。我國學者瞄準新型飛行器、大型柔性空間可展結構、柔性雷達等太空飛行器系統中的關鍵科學問題，提出了系統反饋時滯新理論方法，揭示了反饋時滯、彈性約束、遲滯阻尼等因素引起的非線性動力學規律；提出了斜碰撞振動分析新理論，揭示了新碰撞振動及分岔機理；提出了碰撞隔振系統的非線性動力學設計方法，解決了多種飛行器研製中的振動控制問題；提出了高維多柔體動力學建模與計算新理論與方法，解決了複雜柔性空間可展結構的動特性設計問題。上述理論與方法突破了多項技術瓶頸，為我國太空飛行器系統的創新發展提供了技術支撐。
天文：地球同步軌道區域物體的運動特徵研究與觀測
地球同步軌道是稀缺資源，是可利用的重要區域，其附近物體的分布規律、軌道長期演化特徵以及觀測處理複雜，這一區域物體的數量不斷增加，給航天活動的順利開展帶來了很大的困難。我國學者利用基本天文學方法，建立了擴展化理想共振模型，從理論上揭示出同步軌道物體的雙平動運動特徵，給出了五種運動特徵的分類判據，實現了利用一組軌道數據直接判定非受控物體的運動特徵；得到傾角定量變化範圍、軌道面參數相關性以及星下點經緯度變化相關性的解析表達式，揭示了同步軌道區域非受控物體緯度方向變化區間和演化分布規律，將同步軌道區域物體搜索效率提高1倍；克服無先驗信息、密集星場等問題，建立了實時、高效的多物體檢測方法，獲得了高精度的光學測量數據，提高了定軌預報精度。通過建立集運動特徵理論研究、觀測方法、物體檢測、軌道識別與精密預報於一體的、可靠高效的體系，顯著提升了同步軌道區域物體的發現、分類、軌道識別以及精密預報能力，已在空間事件分析、碰撞預警以及減緩策略研究等航天活動中得到應用。
物理Ⅰ鈮酸鋰光量子晶片的研製
量子信息領域因其具有巨大應用價值成為當前各國競爭的戰略制高點，光量子信息技術走向實際應用必須實現晶片化。矽基光子晶片雖然具有與CMOS工藝兼容優勢，但因為矽為間接帶隙，發光效率低下，至今還沒研製出實用的低功耗片上光源。鈮酸鋰晶體有很好的光學特性和綜合的物理性能，鈮酸鋰晶片將會在光子產率、調製速率、調諧範圍等核心指標上具有優勢，但鈮酸鋰晶體面臨加工難度大，技術不夠成熟等困難。我國學者解決了鈮酸鋰晶片上高效糾纏光源、高速電光調製器和低損耗光波導加工製備的關鍵技術，研製出國際上第一片電光調製鈮酸鋰有源光量子晶片，其關鍵性能指標優於國際上同類矽基光量子晶片，引起了國際同行的廣泛關注。該工作是鈮酸鋰光量子晶片開端性工作，揭示了鈮酸鋰光子晶片在新型晶片化糾纏光源製備、量子計算、量子模擬等方面的研究價值和應用前景。
物理IIX射線輻射成像的研究與應用
針對打擊國際貿易中貨櫃走私、反恐以及國防裝備方面的重大國家安全需求，我國學者長期堅持開展X射線輻射成像相關原理、方法和技術的基礎研究與應用基礎研究。通過對輻射成像的成像機理、成像模式、重建方法以及輻射源、探測器、加速器X射線源的小型化、小焦點化、高穩定性、可變能量等關鍵技術的研究，實現了大型貨櫃檢查系統的產業化，並在國際上率先研製出具有物質分辨能力的雙能大型貨櫃檢查系統產品，不但為國家打私、反恐等提供了高科技手段，並將產品出口到160多個國家和地區，樹立了中國自有智慧財產權高科技成套設備進入國際市場的典範，實現了從「中國製造」到「中國創造」的轉變。為了突破歐美國家對我國大型國防裝備X射線無損檢測技術的封鎖，聚焦高劑量率小焦點高能電子直線加速器、高效率高分辨力陣列探測器、高精度掃描方法及計算機斷層成像相關的基礎物理與關鍵技術問題，實現了對大型裝備中微小缺陷的探測成像，並使相關產品成功應用到國防裝備生產。這一工作不但為我國解決了核心技術瓶頸問題，並且實現了相關技術及裝備的國際領先。
「共性導向、交叉融通」典型案例
數學：稀疏信息處理的L(1/2)正則化理論
雷達成像在目標探測、地球遙感等涉及大範圍、高解析度觀測應用中面臨挑戰。雷達數據採集一直是以香樣定理為基礎，或難以實現期望的高採樣率，或帶寬限制難以支持實時處理，或系統複雜難以機載或星載。如何突破香農採樣以更少的採樣實現高解析度觀測，是稀疏微波成像的基礎科學與技術問題。我國學者基於巴拿赫空間幾何理論，通過解析雷達成像過程的數學表示，建立雷達觀測矩陣的近似逆表示（稱為雷達回波模擬器），提出了不直接基於雷達觀測矩陣而基於雷達回波模擬器的成像新模型，發現並建立了稀疏信息處理的L(1/2)正則化理論，將原有稀疏雷達成像算法的單步迭代複雜性從N^2減少到了Nlog(N)量級。實現了與常用雷達算法複雜性相當的算法，為稀疏雷達的大場景成像及實用化鋪平了道路，為解決廣泛的稀疏信息處理問題提供了迥然不同的求解範式和快速算法，形成了稀疏雷達成像的原創成像理論，已在廣泛的科學技術領域產生影響。
力學：軟材料與生物軟組織的表面失穩力學研究
軟物質研究涉及力學、材料科學與生命科學的交叉領域，而變形穩定性是其中的基本問題。由於彈性模量很低、對外界刺激響應敏感，軟材料比傳統固體材料更容易發生幾何失穩。針對生物醫學工程、柔性電子、功能材料與器件、軟體機器人等前沿技術的發展對軟材料表面失穩研究提出了迫切需求，我國學者歷經多年深入研究，建立了軟材料與生物軟組織表面失穩及其演化的力學理論與計算方法，發現了表面失穩與演化的多種新現象與新規律，揭示了宏、微觀尺度上表面失穩的物理新機制，為柔性器件與結構設計、材料表面性能調控、力學性質測量等提供了理論基礎，對癌症、炎症等軟組織病變的診療具有應用價值。
天文：軌道力學精確建模方法研究
北鬥導航系統提供全球高精度導航定位授時服務對時空基準的建立、維持與傳遞提出了更高的要求。北鬥衛星精密軌道測定誤差是影響北鬥空間基準傳遞精度的重要因素，同時也制約了北鬥坐標系實現和維持精度。我國學者基於基本天文學（軌道力學）基本原理，結合北鬥導航系統星地星間多源測量體制的特點，開展北鬥GEO/IGSO/MEO不同類型衛星軌道力學精確建模研究，建立了適用於北鬥二號、北鬥三號衛星不同姿態控制模式下太陽光壓模型，提高了北鬥衛星軌道測定與預報精度，達到與GPS相當的水平，並進而提高了北鬥坐標系與國際大地參考框架在釐米級水平上的一致性，拓展了北鬥特色測量體制應用範圍，對北鬥導航系統的穩定服務和科學應用提供重要技術支持。傳統天文學中軌道力學的理論應用於衛星導航空間基準的精確測定和預報，而衛星導航的發展對基本天文學研究又提出了新的問題和挑戰，兩者的交叉有力地推動了天文學與地球科學、信息科學相關領域的新發展。
物理Ⅰ
單個蛋白質分子的磁共振探測
在納米尺度上直接測量單個分子的組成、結構及動力學性質是當今物質科學探索的發展趨勢。磁共振在醫學成像等領域已發揮重要作用，但傳統磁共振技術通常只能測量毫米尺度以上百億個分子系綜的統計平均性質，無法實現對單個分子的直接測量，在更高精度上進行生物成像成為物理學和生命科學共同關心的問題。我國學者基於金剛石量子傳感器和新穎的自旋量子幹涉儀探測原理，實現了單分子磁共振的突破，首次獲得了單個蛋白質分子（直徑約5nm）的順磁共振譜，並解析出其動力學信息，成功將電子順磁共振技術解析度從毫米推進到納米，靈敏度從百億個分子推進到單分子水平。這一成果得到美國化學會、德國馬普所等廣泛的新聞報導。《Science》將該成果選為研究亮點並配發專文報導，稱其「實現了一個崇高的目標」，「是通往活體細胞中單蛋白分子實時成像的重要裡程碑」。該探測技術可用來在單分子層面認識物質科學和生命科學的機理，特別是其室溫大氣的寬鬆探測條件為生命科學等領域的研究提供了尤為適宜的條件，對疾病早期診斷具有積極意義。
物理 II
納米材料健康效應與安全性研究中的核技術方法
納米材料健康效應與安全性研究中的核技術方法系統理解納米尺度與納米結構材料的生物學效應和開展納米安全性研究，既是物理、化學、材料與醫學科學交匯所出現的前沿基礎科學問題，也是納米技術可持續發展所必須建立的安全性評價與分析檢測等實際應用問題。生物醫用的納米結構材料具有小尺寸效應、表面效應、團聚效應以及量子效應的特點，我國學者利用多種先進核技術與大科學裝置平臺技術系統，開展納米結構材料對生命健康產生影響的研究，深入研究了納米材料健康效應與安全性，突破了納米尺度物質生物學效應體內定量檢測的方法學瓶頸，解決了納米物質體內行為的複雜化學生物學機制難題。建立了測定納米顆粒體內分布與轉運速率定量方法，實現單細胞與單顆粒的三維高分辨成像、納米-生物界面精細結構表徵、納米材料體內行為的動態分析和表徵，為納米生物醫學研究提供了重要的分析方法和研究手段，推動了核技術與大科學裝置在納米生物醫學與安全性評價研究等交叉學科的發展。
管理科學部典型案例
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來源：國家自然科學基金委官網
編輯：種 瑞
審核：李建榮