材料科學研究熱點與前沿挖掘
——以富勒烯為例

曾碩勛，馮 敏，姜 玲

(1. 甘肅省科技情報研究所，甘肅 蘭州 730000)(2.甘肅省科技評價監測重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)(3. 慶陽市農業科學研究院，甘肅 慶陽745000)

1 前 言

1985年英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學家理查德·斯莫利(1996年諾貝爾化學獎獲得者)制得碳原子簇結構分子C60[1]，至今，富勒烯經歷了從發現、規模合成，到應用研究，以及富勒烯衍生物的合成與應用。富勒烯家族的諸多物理化學特性，尤其是C60獨特的性質，已經在諸多領域如有機化學、無機化學、生命科學、材料科學、高分子科學、催化化學、電化學、超導體與鐵磁體等展現出其優越性質。Friedman等在1993年發表的文章中認為C60的體積與HIV病毒活性中心的空穴大小相匹配，有可能堵住洞口，切斷病毒的營養供給[2]。1999年Serdar Sariciftci認為共軛高分子材料由于同時具有良好的加工性和柔韌性及摻雜后優良的導電性，以及價格低廉、可大面積成膜等優點，因此在光電轉換領域具有巨大的潛在應用價值[3]。2014年莫斯科理工學院、俄羅斯超硬和新型碳材料技術研究所(FSBI TISNCM)和密西根大學的研究人員采用一種新方法合成了超硬富勒烯材料，硬度為150～300 GPa，超過鉆石的物理強度[4]。此外，來自中國科學院和中國科學院大學的Zhao團隊在國際期刊JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY(2017年期刊影響因子為14.357)發表一篇重要文獻(被引超過900次)，實驗研究得到一種新的非富勒烯受體材料IT-4F，該材料與聚合物給體材料PBDB-T-SF共混制備有機太陽能電池，取得了超過13%的能量轉換效率[5]。上述一系列不斷涌出的富勒烯研究成果，進一步推進了富勒烯領域的研究與應用發展，并在諸多領域展現出其巨大的社會經濟價值。

為此，挖掘國際富勒烯領域研究的熱點和前沿，將為富勒烯的學科交叉研究，以及發現可能的延伸領域研究，帶來可能的線索。與此同時，對文獻計量理論、重要文獻比較、可視化展示等手段的應用實例，為材料科學等自然科學領域的科研人員，把握學科熱點和學科前沿提供借鑒。

2 數據來源與處理

考慮到數據源的國際性、有效性、權威性和易得性，選擇湯森路透公司開發的Web of Science核心合集中的SCI(Science Citation Index Expanded)網絡數據庫，通過檢索詞：“Fullerene”、“C60”、“C-60”，檢索式：Fullerene or C60or C-60，選擇檢索字段：“標題”，檢索時間段：2007至2017，檢索時間為2017年4月1日，結果共檢索到10 205條數據。采取“全記錄與引用的參考文獻”的“純文本”格式導出，形成分析的原始數據。

由于各期刊要求格式不完全一致，原始數據存在數據格式軟件無法識別，作者姓名全稱簡稱不一，關鍵詞大小寫、單復數等諸多問題，導致后續分析數據的遺漏、重復等情況。為此，有必要對數據進行規范化處理，主要采取了軟件與人工相結合的方式進行，確保數據盡量規范有效。

3 研究方法與工具

共詞分析(co-word analysis)最早被文獻記錄出現在20世紀70年代后期，屬文獻計量領域，主要是對一組詞語(數據)進行統計，篩選出較高頻次字段的文獻，研究相同字段共同出現在若干文獻中的頻次。在此基礎上，主要通過聚類手段，得出文獻中詞語(研究主題)之間的密切聯系程度，從而判斷出學科研究領域的變化情況[6-9]。

隨著期刊文獻的標準化格式出版，為計算機共詞分析統計帶來了諸多便捷，也為了解學科領域發展變化提供了更為直觀可視的手段。當前可進行共詞分析的工具較多，如湯森路透公司開發的Thomson Data Analyzer、olle Persson開發的Bibexcel、陳超美等開發的CiteSpace、Excel等工具均可進行共詞分析。Thomson Data Analyzer與Web of Science均由湯森路透公司開發，一次導出數據可實現無縫結合，但使用成本較高；Bibexcel共詞分析相對較為繁瑣，但數據打開便捷，也方便后續的可視化展示，且為免費工具；CiteSpace歷經多年多版本的更新升級，在引文分析及可視化方面為當前熱點工具，尤其在前沿文獻獲取優勢明顯；Excel也可通過數據透視表等功能實現共詞分析，但與后續的多角度共詞分析和可視化分析銜接較為不便。綜合上述軟件特點，本文采用Bibexcel、CiteSpace V進行了一系列的共詞分析，并結合VOSviewer、UCinet軟件進行可視化數據處理和展示。

4 研究結果及分析

4.1 研究概況

1962年“C-60”首次出現在文章標題中(“Problem of Autoinfection after Total Body Lethal Irradiation of Dogs with C-60”)，但真正涉及到富勒烯領域的文章出現在1985年，題名為“C-60-Buckminsterfullerene”，之后富勒烯相關研究在學術界引起波動[1，10]。自1991年開始，有關富勒烯的文獻出現井噴，1996年年度發文到達1188篇，之后有關富勒烯領域的文獻保持持續高發文量(圖1)。

圖1 富勒烯領域歷年發文量Fig.1 The number of annual publications of the field of fullerenes

4.2 研究熱點

為充分發揮各種分析工具的優點、取長補短，凸顯富勒烯研究熱點可視化結果以及分析便捷，采用多方式聯合可視化分析：借助Bibexcel關鍵詞“DE”字段抽取，形成共詞矩陣，聯合VOSviewer(Minimum total link strength of an item參數為5)，形成富勒烯領域研究熱度圖(圖2)；借助Bibexcel關鍵詞“DE”字段抽取，形成共詞矩陣，并導入UCinet形成富勒烯領域研究關鍵詞共詞圖(圖3，選擇顯示共詞參數不小于5)；采用CiteSpace V(節點類型為Keyword、主題詞類型為Noun Phrases，算法為Pathfinder)得到富勒烯領域研究關鍵詞(圖4和表1)。

圖2 富勒烯領域研究熱度Fig.2 The research hotspots of fullerene field

圖3 富勒烯領域研究關鍵詞共詞Fig.3 The co-words of key words of fullerene field

圖4 富勒烯領域研究關鍵詞Fig.4 The key words of fullerene field

綜合分析圖2至圖4以及表1，發現與富勒烯相關的研究熱點除富勒烯本身外主要有以下3個方面：C60，涉及聚合物、光譜檢測、形態結構、C70等，其中富勒烯聚合物的研究較熱；self-assembly，涉及納米、超分子等的結構，其中碳納米管等研究較熱；PCBM、P3HT、solar cell，涉及富勒烯在光伏電池領域的能量轉換及其效率、聚合物材料、太陽能薄膜等研究。綜合比較下，光伏電池是富勒烯領域最熱的研究主題。

表1 富勒烯領域研究關鍵詞top10

4.3 研究前沿

借助CiteSpace V的強大篩選過濾，選擇每年top5的被引文獻，其他為默認選擇，獲得93篇高被引經典文獻的可視化圖，再通過“K”聚類和“LLR”算法抽取標識詞，得到20個類簇(圖5)。

再通過20個類簇的節點“List CITing Papers to the Cluster”，獲得施引93篇經典文獻的各簇前沿文獻。選擇平均年份最近的簇，最終形成富勒烯最前沿的文獻13篇(表2)。

圖5 富勒烯前沿族聚類Fig.5 Fullerene frontier family clusterings

精讀表2中所列的13篇文獻，得到5個前沿研究方向:

(1)非富勒烯聚合物：4篇文獻進行了非富勒烯聚合物在太陽能電池方面的應用研究[11-14]。其中，來自中國科學院化學研究所和北京分子科學國家實驗室的Bin等，研究的非富勒烯聚合物太陽能電池轉換效率達到11.4%[11]。

(2)富勒烯太陽能光電轉換：3篇文獻進行了富勒烯聚合物、分子結構設計等提升太陽能光電轉換效率的研究[15-17]。其中，來自韓國Gwangju科技研究所和Heeger先進材料技術中心的Choi等，研究優化的富勒烯太陽能電池轉換效率達到7.9%[17]。

(3)富勒烯聚合物添加劑：研究不同添加劑的比例造成的富勒烯聚合物結構、性能的變化，主要用于改進富勒烯聚合物光電轉換效率[18, 19]。

(4)富勒烯材料熱檢測：來自俄羅斯莫斯科國立大學的Mikheev等，應用富勒烯C60、C70的獨特性能，研究了一種熱散失測量方法[20]。

(5)富勒烯醫藥抗癌：來自烏克蘭基輔塔拉斯舍甫琴科國立大學的3篇文獻進行了富勒烯C60的醫藥領域探索研究[21-23]。Prylutskyy等進行了富勒烯C60生理學研究，認為C60富勒烯可以作為攔截抗生素阿霉素(一種抗腫瘤藥)手段。Grynyuk等進行了富勒烯C60與白血病的研究，C60聯合治療可使白血病L1210細胞在24 h內顯著下降達37%，且48 h觀察無細胞毒副作用。Bychko等研究了C60聯合抗擊宮頸癌細胞的作用機制。

表2 富勒烯前沿文獻

4.4 潛在研究

進一步圍繞富勒烯的研究深入挖掘潛在研究方向，采用在數據中剔除關鍵詞“Fullerene”，再次形成共詞矩陣，并形成可視化圖6(選擇顯示共詞參數不小于5)。

從圖6發現，圍繞富勒烯形成了兩大潛在(關聯)研究:(1)太陽能電池(solar cell)，即富勒烯聚合物的太陽能電池轉換效率前沿研究，包括3個熱點研究方向，一是太陽能電池的穩定性(stablity)研究；二是電池聚合物共軛(conjugate)的研究；三是富勒烯衍生物(PCBM)和主要用于有機薄膜晶體管和有機太陽能電池的3-己基噻吩的聚合物(P3HT)。(2)碳納米管(carbon nanotube)，與富勒烯相關的碳納米管研究主要集中在石墨烯(graphene)方面,也是近年來材料領域的研究熱點。由于富勒烯太陽能電池已是當前研究熱點，因此富勒烯的主要潛在(關聯)研究為用于制造石墨烯的碳納米管。

5 結 語

文章采用Bibexcel、CiteSpace、VOSviewer、UCinet等軟件完成富勒烯研究領域的熱點和前沿方向挖掘，尤其是在研究熱點尋找方面，多款軟件的可視化聯合應用互相取長補短，熱點更加醒目和準確，同時結合CiteSpace的時間軸比較分析，可快速發現研究熱點持續時間，為廣大科研工作者探求相關領域的研究熱點和前沿識別提供了借鑒實例。

通過上述分析，得出以下兩點富勒烯可能的重點研究方向和熱點：(1)富勒烯聚合物添加劑研究。能源尤其是清潔能源是未來社會經濟發展的希望，富勒烯應用于太陽能電池光能轉換效率提升的研究，為此提供了新的可能。與鈣鈦礦太陽能電池(2016年轉換效率20.5%)等材料進行比較[24]，當前富勒烯太陽能電池光能轉換效率仍然差距巨大，因此，研究富勒烯聚合物的添加劑和相關技術參數，是當前和未來富勒烯領域科研工作者的重要工作之一。(2)富勒烯醫療應用研究。富勒烯的醫藥抗癌應用研究處在理論研究階段，盡管還不是當前研究熱點，但其對人類意義深遠的價值和廣闊的應用空間，勢必成為持續的研究前沿。為此，進一步推進理論研究，并從實驗室走向醫療應用將是富勒烯研究發展的重大課題。

圖6 剔除“fullerene”后的共詞Fig.6 The CO-words of no “fullerene”