核殼結構復合材料在消防領域的新應用
——基于科學知識圖譜的文獻計量分析

張桂云，張?zhí)煳。w宸豫，王 勇

中國人民警察大學 a.研究生院； b.救援指揮學院，河北 廊坊 065000

0 引言

隨著對核殼結構、微膠囊結構復合材料研究的不斷深入，其應用領域不斷拓寬，但目前在消防材料方面的應用還較少。具有核殼結構的復合材料是一種包覆型復合材料，由外殼和內核材料通過化學鍵或其他作用力有序組裝而成，通過外殼材料包覆內核材料協(xié)同發(fā)揮作用。兩親性核殼結構能達到單一材料無法達到的性能，因而其在諸多領域得到廣泛關注與研究。廣義上的核殼結構也包括微膠囊、空球等結構。本文以“核殼結構、微膠囊”為主題，基于科學知識圖譜進行文獻計量分析，以實現(xiàn)研究主題的可視化，從而明確核殼結構研究熱點、研究進展、發(fā)展趨勢、應用領域等信息，進而為該領域研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

從Web of Science(WOS)核心合集的科學引文索引擴展版(SCI-EXDEED)中檢索核殼結構研究相關文獻數(shù)據(jù)。SCI-EXDEED是一個全球知名的科學論文引文數(shù)據(jù)庫，擁有嚴格的篩選指標，從而保證高質量的文獻數(shù)據(jù)。輸入檢索式(microcapsules OR “core shell”) AND (nanoscale OR “sub micron”)進行主題檢索，文檔類型限制為article和review，檢索時間設置為“2000年1月—2020年10月”，最終檢索得到2 496篇相關文獻，分別隸屬于1 937個機構，涉及10 329位作者，發(fā)表于525個期刊，總引文次數(shù)為107 09次。

1.2 方法

采用科學知識圖譜軟件VOSviewer對收集到的2 496篇核殼結構研究相關文獻進行分析。分析結果包括研究產(chǎn)出分析和研究熱點分析兩個方面，研究流程如圖1所示。

圖1 文獻數(shù)據(jù)分析流程圖

2 結果與討論

2.1 研究產(chǎn)出分析

2.1.1 出版年分布

相關文獻的年出版數(shù)量是評價一個研究領域發(fā)展趨勢的重要指標。圖2為2 496篇文獻的年出版分布及累計出版數(shù)量曲線，可以看出兩條曲線在宏觀上呈現(xiàn)增長趨勢。早期核殼結構相關文獻數(shù)量較少，2000年僅為6篇，但不乏高質量文獻樣本，如Wooley[1]提出“一種生產(chǎn)具有兩親性核—殼形態(tài)的納米結構材料的有效方法”。但從2003年開始，每年文獻產(chǎn)出呈現(xiàn)快速增長趨勢，至2019年達到峰值282篇，反映出核殼結構相關領域的研究近些年關注度不斷上升。

圖2 2000—2020年文獻年出版數(shù)量及累計出版數(shù)量

2.1.2 國家/地區(qū)產(chǎn)出分布

基于WOS文獻信息，每篇文獻都會被分配到一個國家或地區(qū)，機構的分配規(guī)則也是如此。經(jīng)統(tǒng)計，核殼結構相關文獻來源于74個國家或地區(qū)，表1為發(fā)文數(shù)量前十的國家或地區(qū)，其中篇均引文數(shù)量可以反映出國家在該領域的影響力。如表1所示，美國是最多產(chǎn)國家，其文獻數(shù)量達到698篇，中國位列第二名，為670篇，以上兩個國家的總發(fā)文量占文獻集合的54.8%，在核殼結構相關研究領域中占主導地位。圖3為采用VOSviewer繪制的基于平均發(fā)表年份的國家或地區(qū)合作網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中節(jié)點大小表示發(fā)文數(shù)量的多少，線寬表示相關節(jié)點間合作關系的強度。從圖3可以看出，美國與德國、英國、韓國、中國等國家擁有較強的合作關系，并以其為中心節(jié)點，形成巨大的國際合作網(wǎng)絡，反映出國際間“以美國為中心的廣泛的”核殼結構研究的合作模式，其中，美國和中國擁有最為密切的合作關系。

表1 文獻發(fā)表數(shù)量位于前十的國家或地區(qū)

從平均發(fā)表年份來看，相對于美國，中國在核殼結構領域的研究起步較晚，但其發(fā)文數(shù)量和美國較為接近，反映出中國在近期對核殼結構領域關注度極高。但結合“篇均引文數(shù)量”指標，美國依舊是目前核殼結構研究領域最具影響力的國家，但中國在該領域的影響力正在逐漸提高，在未來將逐漸向網(wǎng)絡中心靠近。

2.1.3 機構產(chǎn)出分布

基于WOS文獻數(shù)據(jù)，2 496篇文獻隸屬于74個國家的525個機構。表2給出排名前十的高產(chǎn)出機構，其中，中國科學院是最高產(chǎn)出機構，文獻發(fā)表量和引文數(shù)量最高，但從篇均引文數(shù)量上看，在國內其影響力低于復旦大學。

從國際上看，最具影響力的機構是美國麻省理工學院(篇均引文數(shù)量為118.42)。由表2可知，在排名前十的高產(chǎn)出機構中，除高麗大學，其余研究機構都隸屬于中國和美國，并且數(shù)量相近，反映出核殼結構領域的研究力量主要分布于中國和美國，這也與國家或地區(qū)產(chǎn)出分布中的結論相對應。采用VOSviewer，基于機構合作關系進行可視化分析，得到機構合作關系網(wǎng)絡，如圖4所示。在我國，以中國科學院為中心，與北京大學、清華大學、浙江大學、山東大學、同濟大學等構成機構合作網(wǎng)絡，各高等院校不同顏色代表研究方向不同，但相互之間存在合作關系。整體上看，我國在核殼結構研究領域已經(jīng)形成了較為全面的合作關系網(wǎng)絡，其中以中國科學院和中國科學院大學合作關系最為密切。

表2 文獻發(fā)表數(shù)量位于前十的機構

圖4 機構合作網(wǎng)絡

2.1.4 作者產(chǎn)出及合作關系

從文獻數(shù)據(jù)中提取作者信息并對所有作者出現(xiàn)的頻次進行統(tǒng)計。表3列出文獻發(fā)表數(shù)量排名前十的高產(chǎn)出作者，其中，最高產(chǎn)出的作者是Zhang Weixian(21篇)，最具影響力的作者是Zhang Yu，平均引文數(shù)量達276.18次。

表3 核殼結構研究中排名前十的高產(chǎn)出作者

采用VOSviewer，基于作者合作關系進行可視化分析，得到作者合作關系網(wǎng)絡，如圖5所示。在圖5中，顏色相同的節(jié)點間構成聚類集群，集群內部節(jié)點具有較為顯著的關聯(lián)關系，通過作者聚類集群可以判斷作者間的團隊關系。其中，合作關系網(wǎng)絡最大的是Zhang Weixian，與網(wǎng)絡中Wang Yong、Wang Wei等有明顯團隊關系，且與其他作者團隊(Zhou Xuefei團隊、Liu Jing團隊)存在合作關系。可以看出，大部分高產(chǎn)出作者均有比較明顯的團隊，如Lieber Charles M.(橘色)、Zhou Xuefei(淺藍色)、Bando Yoshio(淺粉色)等。

圖5 作者合作網(wǎng)絡

2.2 研究熱點分析

2.2.1 主題聚類分析

為進一步分析核殼結構研究領域分布、研究熱點及未來發(fā)展趨勢，對檢索到的核殼結構相關文獻集合進行文本挖掘，采用VOSviewer“主題聚類”功能進行可視化分析。對軟件所提取的主題詞進行預處理，合并同義標簽，刪除無意義詞語，最終構建核殼結構研究領域主題詞聚類網(wǎng)絡，如圖6所示。其中，主題詞聚類網(wǎng)絡的節(jié)點大小反映主題詞出現(xiàn)的頻次，節(jié)點越大，說明主題詞出現(xiàn)頻次越多，對該主題的研究熱度越高；節(jié)點之間的線寬反映主題詞之間的關聯(lián)強度，與主題詞在文獻標題和摘要中共現(xiàn)次數(shù)相關，VOSviewer通過內置函數(shù)對節(jié)點主題詞進行聚類劃分，形成具有相似屬性的關聯(lián)聚類。如圖6所示，從核殼結構相關研究文獻集合中提取的主題詞被分為4個聚類，同一聚類顯示相同顏色。各聚類主題為：聚類1(紅色)核殼結構納米復合材料，聚類2(綠色)核殼結構在藥物載體方面的應用，聚類3(藍色)核殼結構復合材料表征，聚類4(黃色)核殼結構在催化氧化、電化學方面的應用。表4列出4個聚類中詞頻最高的15個主題詞。

表4 各聚類高頻主題詞

如圖6所示，聚類1(紅色)在聚類網(wǎng)絡中占比最大，說明核殼結構納米復合材料是核殼結構研究的主要熱點領域，體現(xiàn)在核、殼材料種類的變化，組合模式的多樣，外觀形貌的差異，核材料和殼材料的多樣性，組分間協(xié)同效應都會對核殼結構復合材料的屬性產(chǎn)生影響，進而關聯(lián)到相應領域。聚類2(綠色)體現(xiàn)出核殼結構復合材料的兩大特點，一是核殼結構的兩親性，二是復合材料能夠在到達任務點后由外殼結構分解從而釋放出內核材料或者內核材料經(jīng)外殼孔狀結構釋放作用于任務點。聚類3(藍色)與聚類1不同，主題為核殼結構復合材料表征，包括宏觀、微觀物化性質的表征。核殼結構復合材料作為一種包覆型復合材料，其包覆效果是一個重要指標。表4聚類3列舉的主題詞，可以反映出對材料表征的經(jīng)典儀器，包括掃描電子顯微鏡、高分辨率透射顯微鏡、紅外光譜儀、X射線光譜儀、能譜儀等。此外，該聚類中熱重分析是用來表征核殼結構復合材料熱行為的典型方法。聚類4(黃色)主要體現(xiàn)在電化學儲能、電池的結構、電極材料的選取、表面催化劑、經(jīng)過包覆的材料比原材料具有更好的物理性能等方面。

圖6 核殼結構研究領域主題聚類網(wǎng)絡

通過主題聚類分析可以得到核殼結構研究的應用領域分布及核殼結構復合材料的主要特征。其應用領域有生物醫(yī)藥方面的藥物運輸、電化學儲能、催化作用等。其中，在藥物運輸方面的應用體現(xiàn)在殼結構可以保護核結構在一定環(huán)境中不受外界影響，在特定條件下分解或緩釋出內部核物質，該特點也是核殼結構復合材料被廣泛應用在諸多領域的原因之一。

但是，僅通過主題聚類分析難以挖掘到近期研究熱點及其發(fā)展趨勢，所以采用VOSviewer生成基于平均出版年份的主題詞聚類圖譜(如圖7所示)，節(jié)點顏色變化反映其平均出版年份(對應圖中標尺)，黃色部分主要聚集在聚類4和聚類2。由此可知，核殼結構近期研究熱點集中在催化、電化學方面，對于聚類2藥物運輸方面的應用，研究熱點主要體現(xiàn)在腫瘤治療方面。從2000年發(fā)表的6篇文獻來看，Desai等[2]研究了核殼結構在藥物運輸方面的應用，Schneider等[3]研究了核殼結構在催化方面的應用，其余4篇則集中于材料基礎表征和核殼改進優(yōu)化方面的研究。可以看出，當前研究熱點其實在核殼結構研究初期就已被提出。

圖7 基于平均出版年份的主題詞聚類網(wǎng)絡

2.2.2 高引用參考文獻分析

文獻的被引頻次與文獻的影響力、權威性、學術水平相關，亦能代表該主題研究發(fā)展方向。如表5所示，通過對文獻集合中引用頻次最多的10篇參考文獻進行分析，可以看出對核殼結構研究的主題主要體現(xiàn)在核殼結構的構建、合成和應用等方面。引用次數(shù)最多的文獻是核殼結構在催化領域應用的研究，結合上文主題聚類分析可以得出核殼結構在催化方面的研究頗多[4]。第3篇文獻體現(xiàn)了核殼結構在醫(yī)療領域對癌癥治療的應用，研究了通過操控納米殼、介電核的納米核殼結構粒子，達到光熱誘導細胞死亡或腫瘤緩解的目的[5]。第8篇文獻研究了核殼結構復合材料在電催化方面的應用，分析了不同結構的核殼材料對催化性能方面的影響[6]。

表5 前十高引用參考文獻

2.3 討論

核殼結構復合材料應用領域不斷拓寬，但其在消防領域的應用還相對較少。考慮到滅火劑可以兩相或三相協(xié)同作用，在檢索結果中篩選核殼結構復合材料在滅火劑方面的應用，得到文獻數(shù)據(jù)較少，但基于現(xiàn)有文獻材料分析，發(fā)現(xiàn)核殼材料應用于消防領域的可行性較強。Ni等[14]制備出一種新型的具有核殼結構的滅火劑，該滅火劑是一種復合粉體顆粒，相比單純的干粉滅火劑具有較高滅火效率且滅火劑用量少；Ni等[15]通過改變核材料和殼材料得到一種由固體和液體組成的新復合材料，相比于單純的粉體或水霧大大提高了滅火性能；Chen等[16]研究了內核液體凝膠化處理，相對于普通干水滅火劑、凝膠型干水滅火劑具有更好的穩(wěn)定性，同時不會降低滅火性能；Ni等[17]提出針對特殊物質的火災，可以通過選擇不同的核、殼材料來進行滅火；Zhang等[18]對固液組合滅火劑進行了研究，從可行性分析、制備、表征到性能測試，系統(tǒng)說明了核殼結構復合材料可以作為一種新型滅火劑應用在消防領域。核材料和殼材料的多樣性，可以針對不同火災類型進行不同組合的研究，因此核殼結構復合材料在消防領域作為滅火劑進行研究前景廣闊，這也是本課題組下一步所要深入研究的課題。

3 結論

采用文獻計量和科學知識圖譜，對收集到的2 496篇核殼結構相關文獻進行了分析，得到如下結論：(1)通過產(chǎn)出分布分析和合作關系(包含地區(qū)合作、機構合作、作者合作)分析可以看出：近年來對核殼結構相關領域研究關注度呈現(xiàn)不斷上升趨勢；在世界范圍內形成了“以美國為中心的廣泛的”核殼結構研究合作網(wǎng)絡，美國和中國是研究的主要力量，擁有最為密切的合作關系；美國是目前核殼結構研究領域中最具影響力的國家，中國在該領域的影響力正在逐漸提高，未來將逐漸向網(wǎng)絡中心靠近；高產(chǎn)出作者往往擁有良好的團隊網(wǎng)絡關系。(2)通過主題聚類分析，文獻聚類為4個子集，包括核殼結構復合材料的特點、應用到兩個領域(催化和電催化、藥物運輸)以及表征方法，基于平均出版年份分析可以得到核殼結構的研究熱點主要集中在催化電催化、藥物運輸?shù)确矫妫煌ㄟ^高引用參考文獻分析得到的結論與主題聚類分析得到的研究熱點結論相佐。(3)受到核殼結構復合材料液—固、固—固等多樣組合形式、滅火劑兩相或三相協(xié)同作用的啟發(fā)，基于現(xiàn)有文獻資料分析，發(fā)現(xiàn)核殼材料應用于消防領域的可行性較強，將其作為滅火劑進行研究的前景廣闊。