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2000年，学校利用“211工程”建设和“知识创新工程”的机遇，组建了一支物理和化学交叉、理论和实验相结合的研究队伍，形成了纳米材料与纳米化学、单分子物理与化学和量子信息等交叉领域，并在这些领域取得重要进展，迅速进入国内领先、国际先进行列，取得了若干具有世界先进水平、在国内外学术界有影响的标志性创新成果，受到 “211工程”“九五”期间建设项目验收专家组的高度评价。

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2001年9月，学校和相关学科学术带头人就建设跨学科的高水平基地达成共识，对相关重点实验室进行整合，筹建“综合性国家实验室”。在侯建国副校长的主持下，提交了“国家实验室建设申请报告”第一稿，实验室筹建列入“知识创新工程”二期规划和“教育振兴行动计划”建设规划。

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2001年10月，国家实验室园区动工建设。

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2001年10月，学校成立了国家实验室建设领导小组，朱清时校长任组长。经反复讨论、修改，完成了“国家实验室建设申请报告”第二稿和第三稿。

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2001年11月17日，原科技部基础研究司邵立勤副司长和彭以祺处长来我校考察科研基地建设工作。听取了侯建国副校长关于学校对相关重点实验室进行交叉整合升级的思路汇报。邵立勤副司长对我校将三个中科院重点实验室和一个校级实验室进行交叉整合的思路给予充分肯定，并提出了指导性的意见。

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2002年5月，经科技部、中国科学院和学校相关领导和专家的多次研讨，实验室正式定名为“members48365365”。

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2002年5月23日，科技部程津培副部长一行来我校调研指导工作，听取了关于“members48365365”筹建工作的汇报。程津培副部长对我校的科研实力及取得的研究成果，特别是对我校充分发挥多学科交叉和综合优势，积极筹建“members48365365”给予高度评价和充分肯定。

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2002年6月17日，在中科院综合计划局的指导下完成“国家实验室建设申请报告”正式稿，并报中国科学院和国家科技部。

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2002年8月，为加快建设进程，学校成立了国家实验室建设工作小组，侯建国副校长任组长。

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2002年10月，国家实验室在校内投入试运行。

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2003年5月，国家实验室园区建成。

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2003年5月28日，全国人大常委会副委员长、中国科学院院长路甬祥视察了members48365365（筹）。

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2003年9月3日，科技部副部长程津培、科技部基础司司长张先恩、基础建设处处长叶玉江、安徽省科技厅厅长唐承沛等一行来我校检查指导工作。程津培副部长一行考察了members48365365（筹）并听取了实验室工作进展的汇报。程津培副部长对我校在筹备国家实验室期间所取得的成果表示赞赏。认为科大有实力、有能力做得更好，他希望我校继续保持科研团队的活力，争取有一些学科率先在国际上达到并保持一流。

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2003年9月19日，中国科学院综合计划局李志刚局长一行考察了我校members48365365（筹）建设运行情况，希望该实验室能够加快建设进程，早日通过论证。

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根据国家科技部（国科发基字[2003]389号）的通知，members48365365于2003年11月25日正式开始筹建。

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2004年4月9日，教育部部长周济来我校视察指导工作。考察了members48365365（筹）。

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2004年6月19日，members48365365（筹）第一届理事会成立暨第一次理事会议在中国科学技术大学举行。会议由中国科技大学校长、国家实验室理事会理事长朱清时院士主持。会议讨论并通过了members48365365（筹）理事会工作条例和实验室主任及常务副主任的建议人选，并充分肯定了实验室筹建以来在多学科方面的大跨度交叉以及所取得的一系列创新成果。

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2004年6月24日，安徽省副省长田唯谦一行对members48365365（筹）进行了考察和调研。田唯谦副省长还就安徽省支持members48365365（筹）建设有关工作做了安排。

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2004年11月3日，members48365365（筹）建设计划通过专家论证。