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基于 ESI 研究前沿的納米領域研究分析*

2017-11-01 21:08:58邊文越王海名李國鵬張超星冷伏海
中國科學院院刊 2017年10期
關鍵詞:方向研究

邊文越 王海名 邢 穎 李國鵬 張超星 冷伏海

中國科學院科技戰略咨詢研究院 北京 100190

基于 ESI 研究前沿的納米領域研究分析*

邊文越 王海名 邢 穎 李國鵬 張超星 冷伏海**

中國科學院科技戰略咨詢研究院 北京 100190

ESI 數據庫基于高被引論文(Top 1%)間的共被引關系聚類形成一個個研究前沿。文章以 ESI 數據庫中的 11 814 個研究前沿為基礎,通過文獻檢索、專家遴選等方法篩選出納米領域的研究前沿 1 391 個,再通過人工聚類形成若干研究方向和研究領域。并選取了太陽能電池、納米仿生孔、納米催化、測量表征 4 個研究領域進行了重點分析解讀,比較了各國高被引論文數量,解讀了中國具有優勢的研究方向和研究團隊。

研究前沿,納米科技,太陽能電池,納米催化,納米仿生孔

自 2014 年起,中科院戰略情報研究團隊與科睿唯安公司(Clarivate Analytics,原湯森路透知識產權與科技事業部)合作,通過文獻計量和專家研判,從 ESI(Essential Science Indicators)數據庫中遴選出十大學科領域的年度熱點前沿和新興前沿,并進行分析和解讀,連續 3 年發布《研究前沿》年度研究報告,在科學界和社會上引起了積極的反響[1]。筆者主持并參與了歷年《研究前沿》報告的研制,在為取得的成績高興之余,也清醒地意識到報告還存在若干不足之處,主要有兩點:(1)受人力限制,報告只能選取各學科領域最熱門的 10 多個研究前沿進行分析解讀,未能對學科領域的整體情況進行全面分析解讀;(2)通過文獻計量學共被引聚類形成的研究前沿通常比較具體,側重于研究點(如“基于非富勒烯受體的聚合物太陽能電池”),對于更宏觀的研究方向(如“聚合物太陽能電池”)的揭示還有待改進。

因此,本文選擇納米領域為突破口,通過文獻檢索和專家遴選等方法,從 ESI數據庫中遴選出屬于納米研究領域的全部研究前沿 1 391 個。首先,通過對發表在這些納米前沿領域的高被引論文進行統計分析,對各國競爭態勢進行宏觀概括。然后,根據研究主題的相似性,將這些研究前沿人工聚類形成若干個研究方向,研究方向再人工聚類成若干個研究領域,從而形成領域-方向-前沿的三級分析結構(一些領域為領域—子領域—方向—前沿四級結構)。通過這種分析結構,將一個研究領域涉及的所有研究前沿全部網羅進來,實現對領域的全面、細致、深入分析。受篇幅限制,本文選取了 4 個領域進行分析解讀。

1 納米研究前沿遴選

ESI 數據庫基于高被引論文(Top 1%)之間的共被引關系,聚類形成若干高被引論文簇。每一簇包括研究主題相同或相近的若干篇高被引論文,形成一個“研究前沿”(Research Fronts)[2]?!堆芯壳把亍穲蟾婢褪且?ESI數據庫中的研究前沿為分析基礎。本文以 ESI 數據庫中的 11 814 個研究前沿為基礎,利用 Arora 等人[3]構建的納米科技領域檢索式,首先篩選出其中可能屬于納米領域的研究前沿 1 512 個;然后經過領域專家遴選、判定,最終篩選出納米領域研究 1 391 個,涉及高被引論文6 639 篇[4]。ESI 數據獲取時間為 2016 年 1月,高被引論文發表時間為 2008—2015 年。

對納米研究涉及的 6 639 篇高被引論文的通訊作者國別情況進行統計,結果如表 1 所示。在納米研究領域的高被引論文數量方面,美國和中國分居前兩位,遙遙領先于其他國家,反映出美國和中國該領域研究整體上具有優勢。

表1 高被引論文通訊作者 Top 10 國家 (2008—2015 年)

2 納米研究前沿分析解讀

本文根據研究主題的相似性,把 1 391 個納米領域研究前沿人工聚類形成若干個研究方向,研究方向再人工聚類形成若干個研究領域,形成領域—方向—前沿三級分析結構(一些領域為領域—子領域—方向—前沿四級結構),從對具體研究前沿的分析上升到對研究方向、研究領域的分析。受篇幅限制,本文選取了太陽能電池、納米仿生孔、納米催化和測量表征 4 個領域進行分析解讀,表 2 列出這 4 個各領域所涉及的研究前沿數量和高被引論文數量。

表2 太陽能電池、納米仿生孔、納米催化和測量表征 4 個領域聚類情況 (2008—2015 年)

2.1 太陽能電池

太陽能電池領域主要包括鈣鈦礦型太陽能電池、聚合物太陽能電池、量子點敏化太陽能電池等研究方向,涉及研究前沿 102 個、高被引論文 516 篇。如表 3 所示,美國在該領域的高被引論文數量最多,中國位列第二,與美國的差距較小。其他國家在高被引論文數量方面與美、中兩國差距較大。

表3 太陽能電池領域研究前沿高被引論文 Top 10 國家(2008—2015 年)

2.1.1 鈣鈦礦型太陽能電池

鈣鈦礦型太陽能電池是第三代太陽能電池中最熱門的研究方向,短短幾年時間就超過了非晶硅、染料敏化、有機太陽能電池等新一代薄膜電池歷經 10 多年的成果,被《科學》雜志評為 2013 年度十大科學突破之一。鈣鈦礦型太陽能電池的核心是具有鈣鈦礦 ABX3晶型的有機金屬鹵化物吸光材料。ABX3晶型中最常見的是碘化鉛甲胺(CH3NH3PbI3)。2009 年,日本桐蔭橫濱大學 Miyasaka 課題組率先以鈣鈦礦型材料作吸光層,在染料敏化太陽能電池基礎上制造出鈣鈦礦型太陽能電池,但光電轉換效率僅為 3.8%[5]。2011 年,韓國成均館大學 Nam-Gyu 課題組將效率提高到 6.5%[6]。2012 年,牛津大學 Snaith 課題組提出了“介孔超結構太陽能電池”的概念,光電轉換效率首次突破10%[7]。2013 年,瑞士洛桑聯邦理工學院 Gr?tzel 課題組將效率提高到 15%[8]。2014 年底,韓國化學技術研究所 Seok 課題組將轉換效率提高至 20.1%[9]。2015 年,中、日、瑞士合作制得大面積(工作面積超過1 cm2)鈣鈦礦型太陽能電池,使其首次可以與其他類型太陽能電池在同一標準下比較性能,15% 的能量轉化效率得到國際權威機構認證[10]。2016 年,Gr?tzel 課題組進一步將認證效率提高至 19.6%[11]。與英國、瑞士、韓國等國相比,中國在該研究方向的高被引論文相對較少。

2.1.2 聚合物太陽能電池

在本體異質結聚合物太陽能電池研究中,富勒烯基材料一直是受體材料的主流,但也存在一些突出問題。針對于此,研究人員開展了非富勒烯受體材料的研究,主要有兩類:有機小分子和聚合物。在有機小分子受體材料方面,北京大學占肖衛團隊率先提出了稠環電子受體的概念,設計合成了一系列高性能有機稠環電子受體材料,2016 年電池效率提升至 9.6%[12]。同年,中科院化學所侯建輝團隊采用有機小分子受體,在小面積非富勒烯型聚合物太陽能電池器件中取得了創紀錄的 11.2% 的能量轉換效率,使非富勒烯型聚合物太陽能電池效率達到了富勒烯受體的水平[13]。在聚合物受體材料方面,即全聚合物太陽能電池,中科院化學所李永舫團隊表現活躍。2016 年,該團隊將全聚合物太陽能電池的能量轉換效率提高到 8.27%[14]。

除上述外,2016 年,南開大學陳永勝團隊利用寡聚物材料的互補吸光策略構建了一種具有寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池器件,實現了12.7% 的光電轉化效率,創造了當時文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的最高紀錄[15]。

2.1.3 量子點敏化太陽能電池

量子點敏化太陽能電池因其制備成本低、工藝簡單及量子點本身的優異性能(如尺寸效應、多激子效應)等優點,近年來受到廣泛關注。加拿大多倫多大學Sargent 課題組[16]、美國國家可再生能源實驗室 Nozik 課題組[17]以及華東理工大學鐘新華團隊[18]在該方面較為突出。2016 年,華東理工大學鐘新華團隊將量子點敏化太陽電池的光電轉換效率提升至 11.61%,并得到國家光伏質檢中心認證[19]。

2.2 仿生納米孔

仿生納米孔道領域主要包括生物納米孔和固態納米孔等研究方向,涉及研究前沿 5 個、高被引論文 45 篇。如表 4 所示,美國在該領域具有非常顯著的研究優勢,高被引論文有 23 篇,超過總數的一半。英國和德國分列第 2 和第 3 位,中國只有 1 篇高被引論文。

表4 仿生納米孔領域研究前沿高被引論文 Top 10 國家(2008—2015 年)

20 世紀 90 年代,科學家提出了將單鏈 DNA 拉過蛋白孔,檢測堿基穿過時電導的微小改變,進而實現納米孔 DNA 測序的設想。進入 21 世紀后,越來越多的科研人員致力于該領域研究,讓納米孔測序成為現實,研究成果也逐步向商業實用方向邁進。本文分析得出,高被引論文涉及的納米孔類型主要包括生物納米孔和固態納米孔等,測序主要包括核酸測序(主要是 DNA 測序)和蛋白質分析等。

生物納米孔是指利用天然生物學通道(如 α- 溶血素結構、恥垢分枝桿菌孔蛋白 A(MspA)等)的納米孔。牛津納米孔技術公司(Oxford Nanopore)Hagan Bayley 團隊開發了可商業化的 α- 溶血素生物納米孔。2009 年,該公司實現了堿基連續測定,準確度平均為 99.8%[20]。此后,牛津納米孔技術公司推出了商業化的納米孔測序儀——MinION 和 GridION?;诩{米孔的單分子 DNA 讀取技術不再需要光學檢測和同步的試劑洗脫過程,也被稱為第四代測序技術,相比更早的測序技術有著更快的數據讀取速度和更大的應用潛能。2016 年,MinION 在國際空間站內成功完成微重力條件下的 DNA 測序,被《科學》評為當年十大科學突破。

2010 年,美國華盛頓大學的 Gundlach 首次證明,MspA 可用于 DNA 測序,并與阿拉巴馬大學微生物學家Michael Niederweis 合作證明 MspA 孔隙結合“棘輪系統”便可讀取短 DNA 序列[21]。2012 年,該團隊利用 MspA和噬菌體 phi29 聚合酶,實現單核苷酸的分辨率和 DNA 易位控制,推動了長期以來生物納米孔遇到的兩個主要障礙的解決[22]。同年,美國加州大學圣克魯茲分校 Mark Akeson 團隊也利用 MspA 和 phi29 聚合酶,使 DNA 正向和反向棘輪以每秒 2.5—40 個核苷酸的速度通過納米孔實現單核苷酸分辨率的實時檢測[23]。

生物納米孔在穩定性、持久性等方面存在不足,難以滿足持續的大規模測序需求。隨著微加工技術的不斷進步,固態納米孔應運而生。人工制備的固態納米孔具有孔徑穩定、物化性能良好、低成本、高讀長、易集成等優點,被認為是下一代納米孔技術。固態納米孔的材料主要有石墨烯、氮化硅、硅、金屬氧化物等。

石墨烯在檢測 DNA 上具有出色的潛力。2010 年,哈佛大學 Golovchenko 團隊和美國麻省理工學院的研究人員合作在《自然》上發表論文證實石墨烯可制成人工膜材料進行 DNA 測序,指引了石墨烯納米孔 DNA 檢測的方向。Golovchenko 團隊制備了與 DNA 分子直徑緊密匹配的石墨烯納米孔,發現其對 DNA 具有非常好的靈敏度和分辨率[24]。

同時,納米孔的檢測物范圍也不斷擴大,從 DNA 發展到 RNA、蛋白質、金納米顆粒和有毒分子等。例如,牛津納米孔技術公司 Hagan Bayley 團隊、美國加州大學圣克魯茲分校 Mark Akeson 團隊和荷蘭代爾夫特技術大學Cees Dekker 團隊等利用生物納米孔開展蛋白檢測[25];美國賓夕法尼亞大學 Marija Drndi 和 Meni Wanunu 團隊利用薄的納米孔快速檢測小 RNA 分子[26];英國東英吉利大學利用 MinION 測序鑒定細菌抗生素抗性島的位置和結構[27]。

2.3 納米催化

納米催化領域主要包括催化劑的合成和制備、傳統催化、電催化、光催化等子領域,涉及研究前沿 92 個、高被引論文 303 篇。催化劑的合成和制備主要包括活性組分、載體等研究方向,傳統催化主要包括 C1 催化等研究方向,電催化主要包括燃料電池、電解水、二氧化碳轉化等研究方向,光催化主要包括水和空氣中污染物的降解、二氧化碳轉化、光解水等研究方向。如表 5 所示,我國在該領域的高被引論文數量排名第一,所占份額超過 1/3,反映出我國近年來在納米催化領域具有較強的研究優勢。美國的高被引論文數量排名第二,所占比例接近 1/4。其余國家高被引論文數量相對較少。

表5 納米催化領域研究前沿高被引論文 Top 10 國家(2008—2015 年)

納米催化劑通常由活性組分和載體兩部分組成。常見的活性組分包括金屬(及其化合物)、半導體、碳基材料(如石墨烯、碳納米管、石墨相 C3N4等)等。尺寸、形貌、結構、組成等是影響活性組分催化效用的重要因素。出于成本考慮,活性組分的總體研究趨勢是在保證活性的前提下,盡量使用儲量豐富、價格低廉的普通金屬或非金屬材料替代貴金屬。常用的載體包括氧化物(如 SiO2、TiO2、Fe3O4等)、碳基材料(如石墨烯、碳納米管、石墨相 C3N4等)、多孔材料(如沸石、介孔材料、金屬有機框架化合物等)等。載體不僅為活性組分高度分散提供了表面,而且還可以參與催化過程,例如促進光生電荷分離等。對于多孔載體,孔道的限域可起到擇形催化作用。由于易于分離回收,磁性可回收載體近年發展迅速。納米催化的特點介于均相催化和非均相催化之間。中科院大連化物所張濤團隊首次發現單原子催化劑具有與均相催化劑相當的活性,從實驗上證明單原子可能成為溝通均相催化與多相催化的橋梁[28]。

納米催化的反應類型大致分為傳統催化、電催化和光催化 3 類。

在傳統催化中,C1 化學占據重要位置,包括費托合成、甲烷轉化、CO 氧化、CO2還原、甲醇氧化等。近年來,我國 C1 化學取得一系列重大突破。中科院大連化物所包信和團隊構建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑,成功地實現了甲烷在無氧條件下選擇活化,一步高效生產乙烯、芳烴和氫氣等高值化學品[29]。包信和團隊還利用自主研發的新型復合催化劑,創造性地將煤氣化產生的合成氣高選擇性地直接轉化為低碳烯烴,乙烯、丙烯和丁烯的選擇性大于 80%,突破了費托合成低碳烯烴選擇性最高 58% 的極限,改變了 90 多年來只能通過費托合成途徑的歷史[30]。中科院上海高等院和上??萍即髮W聯合科研團隊自主研發了暴露面為{101}和{020}晶面的 Co2C 納米平行六面體結構催化劑,實現了溫和條件下(250oC、1—5 個大氣壓)合成氣高選擇性直接制備烯烴,低碳烯烴選擇性可達 60%,總烯烴選擇性高達 80%以上,烯/烷比可高達 30 以上[31]。

在電催化中,燃料電池和金屬-空氣電池的陰極氧化還原反應是研究重點之一。鉑是重要的氧化還原反應電催化劑。受鉑成本高等缺點影響,催化劑一方面朝著減少鉑用量方向發展,采用二元或三元合金的形式替代,例如 Pt-Fe、Pt-Co、Pt-Fe-Cu 等。另一方面朝著非鉑催化劑方向發展,例如鈀及其合金,以及氮摻雜的碳材料(如石墨烯、碳納米管)等。電解水是另一類重要的電催化反應,新型析氫催化劑包括硫化鉬化合物(如 MoS2、MoS3等)、氮摻雜的碳納米管封裝的金屬催化劑等,新型析氧催化劑包括氮摻雜的石墨烯等。美國斯坦福大學戴宏杰團隊制備的 Co3O4/氮摻雜石墨烯電催化劑同時具有很高的氧還原和析氧活性,受到強烈關注,文章被引次數超過 2 000 次[32]。CO2的轉化催化劑也是研究熱點,中國科學技術大學謝毅團隊采用新型鈷基電催化劑,將 CO2高效清潔地轉化為液體燃料,得到國際同行高度評價[33]。

在光催化中,水和空氣中污染物的降解是研究重點之一,常用的催化劑包括 TiO2等半導體、BiOX(X =Cl, Br, I)、Ag/AgX(X = Cl, Br, I)、石墨相 C3N4等。CO2還原制 CH4、CH3OH 等碳氫燃料正處于研究熱點,在減少溫室氣體的同時還可提供替代能源,常用催化劑包括 TiO2等半導體、Ag/AgX(X = Cl, Br, I)、金屬有機框架化合物、石墨烯、石墨相 C3N4等。光解水一直是光催化研究的重要課題,國家納米科學中心宮建茹研究員和武漢理工大學余家國教授合作制備的石墨烯負載 CdS 光解水制氫催化劑受到高度關注,文章被引次數超過 1 000 次[34]。

2.4 測量表征

納米測量表征領域主要包括超分辨光學顯微成像、納米尺度磁共振研究、電子顯微測量等研究方向,涉及研究前沿 39 個、高被引論文 153 篇。如表 6 所示,美國在該領域的高被引論文數量最多,德國和英國分列第 2 和第 3 位。中國為第 4 位,論文數量與美國有明顯差距。

表6 測量表征領域研究前沿高被引論文 Top 10 國家(2008—2015 年)

2.4.1 超分辨光學顯微成像

近年來隨著超分辨熒光顯微術的興起,研究人員研制了多種突破衍射極限的超分辨光學顯微鏡,分辨率可達 20 nm 左右,某些情況下甚至可小于 2 nm。這些超分辨顯微鏡主要分為兩類:一類以 Stefan 發明的受激輻射耗盡顯微鏡(STED)為代表,通過調制光照明方式來實現超分辨;另一類是基于單分子定位的超分辨顯微鏡,通過對具有光開關功能的熒光基團進行單分子成像和定位而實現,光活化定位顯微技術(PALM)、隨機光學重構顯微技術(STORM)、熒光活化定位顯微技術(fPALM)均是這一技術方向的研究熱點。2014 年諾貝爾化學獎授予發展超分辨率熒光顯微成像技術的 3 位科學家,分別是美國霍華德·休斯醫學研究所教授 Eric Betzig(PALM技術)、德國馬克斯普朗克生物物理化學研究所教授 Stefan W. Hell(STED 技術)和美國斯坦福大學教授 William E. Moerner。

2.4.2 納米尺度磁共振研究

當前通用的磁共振譜儀受制于探測方式,其成像分辨率僅為毫米級。納米尺度弱磁探測技術將磁共振技術的研究對象推進到單分子,成像分辨率提升至納米級。

2008 年,德國斯圖加特大學 Wrachtrup 團隊和美國哈佛大學 Lukin 團隊首次報道了利用金剛石中的氮-空位色心進行納米尺度弱磁探測的工作,開創了納米測磁研究方向[35]。此外,哈佛大學 Yacoby 團隊和 Walsworth 團隊以及中國科學技術大學杜江峰團隊在該方向也非?;钴S。杜江峰團隊陸續取得了微波場的百納米級分辨率矢量重構、繪制世界首張單個生物分子的磁共振譜等重大研究突破[36]。

2.4.3 電子顯微測量研究

原位透射電子顯微鏡(in situTEM)技術實現了對物質在外部激勵下的微結構響應行為的動態、原位實時觀測。美國能源部桑迪亞國家實驗室黃建宇(已經全職加入燕山大學)團隊利用原位透射電子顯微鏡技術對納米電極材料的鋰化和退鋰化過程進行原位表征,首次實現了在透射電子顯微鏡下搭建鋰離子電池體系,研究納米線在鋰化過程中的形貌變化和作為鋰離子電池電極的鋰化機理[37]。

3 總結

本文通過納米領域文獻計量分析,結合領域情報人員的研究,得出以下結論:

(1)基于科睿唯安公司 ESI 數據庫中的 11 814 個研究前沿,通過文獻檢索、專家遴選等方法篩選出和納米研究相關的研究前沿 1 391 個,涉及高被引論文 6 639 篇(2008—2015 年)。在高被引論文數量方面,美國和中國分居前兩位,遙遙領先于其他國家。

(2)把 1 391 個納米研究前沿人工聚類形成若干研究方向和研究領域。選擇了太陽能電池、納米仿生孔、納米催化、測量表征 4 個領域進行分析解讀。在高被引論文數量方面,美國在太陽能電池、納米仿生孔和測量表征 3 個領域排名第 1,在納米催化領域排名第 2。我國在納米催化領域排名第 1,在太陽能電池領域排名第 2,在測量表征領域排名第 4,在納米仿生孔領域未進入前五。

(3)我國在納米科技領域已形成一批達到世界領跑水平的優勢研究方向和優秀團隊。例如,太陽能電池方向——中科院化學所李永舫團隊、中科院化學所侯建輝團隊、北京大學占肖衛團隊、南開大學陳永勝團隊、華東理工大學鐘新華團隊等;C1 化學方向——中科院大連化物所包信和團隊、中科院上海高等研究院和上??萍即髮W聯合科研團隊等。

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34 Li Q, Guo B, Yu J, et al. Highly efficient visible-light-driven photocatalytic hydrogen production of CdS-cluster-decorated graphene nanosheets. J Am Chem Soc, 133(28): 10878-10884.

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36 Shi F, Zhang Q, Wang P, et al. Single-protein spin resonance spectroscopy under ambient conditions. Science, 2015, 347(6226):1135-1138.

37 Huang J Y, Zhong L, Wang C M, et al. In situ observation of the electrochemical lithiation of a single SnO2nanowire electrode.Science, 2010, 330(6010): 1515-1520.

Analysis of Nanoscience and Technology Development Based on ESI Research Fronts

Bian Wenyue Wang Haiming Xing Ying Li Guopeng Zhang Chaoxing Leng Fuhai
(Institutes of Science and Development, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

ESI database discovered research fronts in science through co-citation clustering method, each front consisted of a group of highly cited papers (Top 1%) that have been co-cited above a set threshold of similarity strength and their associated citing papers. This paper identified 1 391 research fronts related to nanoscience and technology from all 11 814 research fronts in ESI database by literature search and expert identification. Further, these research fronts were categorized into several research themes by expert identification. This paper focused on four research themes (solar cells, biomimetic nanopores, nanocatalysis and measurement and characterization), comparing the performance of producing highly cited papers among competitive countries and revealing the excellent research teams and well-performed research fronts of China.

research fronts, nanoscience and technology, solar cells, nanocatalysis, biomimetic nanopores

Ph.D. degree from Nankai University. The main research field includes science policy and information analysis. E-mail: bianwenyue@casipm.ac.cn

冷伏海 中科院科技戰略咨詢院研究員,管理學博士。研究方向:情報分析理論與方法。E-mail: lengfuhai@casipm.ac.cn

Leng Fuhai Male, Prafessor, Institutes of Science and Development, Chinese Academy of Sciences, Received Ph.D. degree from University of Chinese Academy of Sciences. The main research field includes information analysis. E-mail: lengfuhai@casipm.ac.cn

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.10.014

*資助項目:納米科技重大創新領域發展態勢研究(Y7 01231901)

**通訊作者

修改稿收到日期:2017年10月2日

邊文越 中科院科技戰略咨詢院助理研究員,理學博士。研究方向:科技政策,情報分析方法。

E-mail: bianwenyue@casipm.ac.cn

Bian Wenyue Assistant professor of Institutes of Science and Development, Chinese Academy of Sciences,

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