基于 ESI 研究前沿的納米領(lǐng)域研究分析*

邊文越 王海名 邢 穎 李國(guó)鵬 張超星 冷伏海

中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院 北京 100190

基于 ESI 研究前沿的納米領(lǐng)域研究分析*

邊文越 王海名 邢 穎 李國(guó)鵬 張超星 冷伏海**

中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院 北京 100190

ESI 數(shù)據(jù)庫(kù)基于高被引論文（Top 1%）間的共被引關(guān)系聚類(lèi)形成一個(gè)個(gè)研究前沿。文章以 ESI 數(shù)據(jù)庫(kù)中的 11 814 個(gè)研究前沿為基礎(chǔ)，通過(guò)文獻(xiàn)檢索、專(zhuān)家遴選等方法篩選出納米領(lǐng)域的研究前沿 1 391 個(gè)，再通過(guò)人工聚類(lèi)形成若干研究方向和研究領(lǐng)域。并選取了太陽(yáng)能電池、納米仿生孔、納米催化、測(cè)量表征 4 個(gè)研究領(lǐng)域進(jìn)行了重點(diǎn)分析解讀，比較了各國(guó)高被引論文數(shù)量，解讀了中國(guó)具有優(yōu)勢(shì)的研究方向和研究團(tuán)隊(duì)。

研究前沿，納米科技，太陽(yáng)能電池，納米催化，納米仿生孔

自 2014 年起，中科院戰(zhàn)略情報(bào)研究團(tuán)隊(duì)與科睿唯安公司（Clarivate Analytics，原湯森路透知識(shí)產(chǎn)權(quán)與科技事業(yè)部）合作，通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量和專(zhuān)家研判，從 ESI（Essential Science Indicators）數(shù)據(jù)庫(kù)中遴選出十大學(xué)科領(lǐng)域的年度熱點(diǎn)前沿和新興前沿，并進(jìn)行分析和解讀，連續(xù) 3 年發(fā)布《研究前沿》年度研究報(bào)告，在科學(xué)界和社會(huì)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(bào)告的研制，在為取得的成績(jī)高興之余，也清醒地意識(shí)到報(bào)告還存在若干不足之處，主要有兩點(diǎn)：（1）受人力限制，報(bào)告只能選取各學(xué)科領(lǐng)域最熱門(mén)的 10 多個(gè)研究前沿進(jìn)行分析解讀，未能對(duì)學(xué)科領(lǐng)域的整體情況進(jìn)行全面分析解讀；（2）通過(guò)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)共被引聚類(lèi)形成的研究前沿通常比較具體，側(cè)重于研究點(diǎn)（如“基于非富勒烯受體的聚合物太陽(yáng)能電池”），對(duì)于更宏觀的研究方向（如“聚合物太陽(yáng)能電池”）的揭示還有待改進(jìn)。

因此，本文選擇納米領(lǐng)域?yàn)橥黄瓶?，通過(guò)文獻(xiàn)檢索和專(zhuān)家遴選等方法，從 ESI數(shù)據(jù)庫(kù)中遴選出屬于納米研究領(lǐng)域的全部研究前沿 1 391 個(gè)。首先，通過(guò)對(duì)發(fā)表在這些納米前沿領(lǐng)域的高被引論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行宏觀概括。然后，根據(jù)研究主題的相似性，將這些研究前沿人工聚類(lèi)形成若干個(gè)研究方向，研究方向再人工聚類(lèi)成若干個(gè)研究領(lǐng)域，從而形成領(lǐng)域-方向-前沿的三級(jí)分析結(jié)構(gòu)（一些領(lǐng)域?yàn)轭I(lǐng)域—子領(lǐng)域—方向—前沿四級(jí)結(jié)構(gòu)）。通過(guò)這種分析結(jié)構(gòu)，將一個(gè)研究領(lǐng)域涉及的所有研究前沿全部網(wǎng)羅進(jìn)來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)領(lǐng)域的全面、細(xì)致、深入分析。受篇幅限制，本文選取了 4 個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行分析解讀。

1 納米研究前沿遴選

ESI 數(shù)據(jù)庫(kù)基于高被引論文（Top 1%）之間的共被引關(guān)系，聚類(lèi)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(gè)“研究前沿”（Research Fronts）[2]。《研究前沿》報(bào)告就是以 ESI數(shù)據(jù)庫(kù)中的研究前沿為分析基礎(chǔ)。本文以 ESI 數(shù)據(jù)庫(kù)中的 11 814 個(gè)研究前沿為基礎(chǔ)，利用 Arora 等人[3]構(gòu)建的納米科技領(lǐng)域檢索式，首先篩選出其中可能屬于納米領(lǐng)域的研究前沿 1 512 個(gè)；然后經(jīng)過(guò)領(lǐng)域?qū)＜义噙x、判定，最終篩選出納米領(lǐng)域研究 1 391 個(gè)，涉及高被引論文6 639 篇[4]。ESI 數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為 2016 年 1月，高被引論文發(fā)表時(shí)間為 2008—2015 年。

對(duì)納米研究涉及的 6 639 篇高被引論文的通訊作者國(guó)別情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表 1 所示。在納米研究領(lǐng)域的高被引論文數(shù)量方面，美國(guó)和中國(guó)分居前兩位，遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家，反映出美國(guó)和中國(guó)該領(lǐng)域研究整體上具有優(yōu)勢(shì)。

表1 高被引論文通訊作者 Top 10 國(guó)家 （2008—2015 年）

2 納米研究前沿分析解讀

本文根據(jù)研究主題的相似性，把 1 391 個(gè)納米領(lǐng)域研究前沿人工聚類(lèi)形成若干個(gè)研究方向，研究方向再人工聚類(lèi)形成若干個(gè)研究領(lǐng)域，形成領(lǐng)域—方向—前沿三級(jí)分析結(jié)構(gòu)（一些領(lǐng)域?yàn)轭I(lǐng)域—子領(lǐng)域—方向—前沿四級(jí)結(jié)構(gòu)），從對(duì)具體研究前沿的分析上升到對(duì)研究方向、研究領(lǐng)域的分析。受篇幅限制，本文選取了太陽(yáng)能電池、納米仿生孔、納米催化和測(cè)量表征 4 個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行分析解讀，表 2 列出這 4 個(gè)各領(lǐng)域所涉及的研究前沿?cái)?shù)量和高被引論文數(shù)量。

表2 太陽(yáng)能電池、納米仿生孔、納米催化和測(cè)量表征 4 個(gè)領(lǐng)域聚類(lèi)情況 （2008—2015 年）

2.1 太陽(yáng)能電池

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

表3 太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究前沿高被引論文 Top 10 國(guó)家（2008—2015 年）

2.1.1 鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池

鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池是第三代太陽(yáng)能電池中最熱門(mén)的研究方向，短短幾年時(shí)間就超過(guò)了非晶硅、染料敏化、有機(jī)太陽(yáng)能電池等新一代薄膜電池歷經(jīng) 10 多年的成果，被《科學(xué)》雜志評(píng)為 2013 年度十大科學(xué)突破之一。鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的核心是具有鈣鈦礦 ABX3晶型的有機(jī)金屬鹵化物吸光材料。ABX3晶型中最常見(jiàn)的是碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3）。2009 年，日本桐蔭橫濱大學(xué) Miyasaka 課題組率先以鈣鈦礦型材料作吸光層，在染料敏化太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)上制造出鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池，但光電轉(zhuǎn)換效率僅為 3.8%[5]。2011 年，韓國(guó)成均館大學(xué) Nam-Gyu 課題組將效率提高到 6.5%[6]。2012 年，牛津大學(xué) Snaith 課題組提出了“介孔超結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池”的概念，光電轉(zhuǎn)換效率首次突破10%[7]。2013 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 Gr?tzel 課題組將效率提高到 15%[8]。2014 年底，韓國(guó)化學(xué)技術(shù)研究所 Seok 課題組將轉(zhuǎn)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(guò)1 cm2）鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池，使其首次可以與其他類(lèi)型太陽(yáng)能電池在同一標(biāo)準(zhǔn)下比較性能，15% 的能量轉(zhuǎn)化效率得到國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證[10]。2016 年，Gr?tzel 課題組進(jìn)一步將認(rèn)證效率提高至 19.6%[11]。與英國(guó)、瑞士、韓國(guó)等國(guó)相比，中國(guó)在該研究方向的高被引論文相對(duì)較少。

2.1.2 聚合物太陽(yáng)能電池

在本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)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(wèn)題。針對(duì)于此，研究人員開(kāi)展了非富勒烯受體材料的研究，主要有兩類(lèi)：有機(jī)小分子和聚合物。在有機(jī)小分子受體材料方面，北京大學(xué)占肖衛(wèi)團(tuán)隊(duì)率先提出了稠環(huán)電子受體的概念，設(shè)計(jì)合成了一系列高性能有機(jī)稠環(huán)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(xué)所侯建輝團(tuán)隊(duì)采用有機(jī)小分子受體，在小面積非富勒烯型聚合物太陽(yáng)能電池器件中取得了創(chuàng)紀(jì)錄的 11.2% 的能量轉(zhuǎn)換效率，使非富勒烯型聚合物太陽(yáng)能電池效率達(dá)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(yáng)能電池，中科院化學(xué)所李永舫團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)活躍。2016 年，該團(tuán)隊(duì)將全聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高到 8.27%[14]。

除上述外，2016 年，南開(kāi)大學(xué)陳永勝團(tuán)隊(duì)利用寡聚物材料的互補(bǔ)吸光策略構(gòu)建了一種具有寬光譜吸收特性的疊層有機(jī)太陽(yáng)能電池器件，實(shí)現(xiàn)了12.7% 的光電轉(zhuǎn)化效率，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)/高分子太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄[15]。

2.1.3 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池

量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池因其制備成本低、工藝簡(jiǎn)單及量子點(diǎn)本身的優(yōu)異性能（如尺寸效應(yīng)、多激子效應(yīng)）等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。加拿大多倫多大學(xué)Sargent 課題組[16]、美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 Nozik 課題組[17]以及華東理工大學(xué)鐘新華團(tuán)隊(duì)[18]在該方面較為突出。2016 年，華東理工大學(xué)鐘新華團(tuán)隊(duì)將量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升至 11.61%，并得到國(guó)家光伏質(zhì)檢中心認(rèn)證[19]。

2.2 仿生納米孔

仿生納米孔道領(lǐng)域主要包括生物納米孔和固態(tài)納米孔等研究方向，涉及研究前沿 5 個(gè)、高被引論文 45 篇。如表 4 所示，美國(guó)在該領(lǐng)域具有非常顯著的研究?jī)?yōu)勢(shì)，高被引論文有 23 篇，超過(guò)總數(shù)的一半。英國(guó)和德國(guó)分列第 2 和第 3 位，中國(guó)只有 1 篇高被引論文。

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

20 世紀(jì) 90 年代，科學(xué)家提出了將單鏈 DNA 拉過(guò)蛋白孔，檢測(cè)堿基穿過(guò)時(shí)電導(dǎo)的微小改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)納米孔 DNA 測(cè)序的設(shè)想。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，越來(lái)越多的科研人員致力于該領(lǐng)域研究，讓納米孔測(cè)序成為現(xiàn)實(shí)，研究成果也逐步向商業(yè)實(shí)用方向邁進(jìn)。本文分析得出，高被引論文涉及的納米孔類(lèi)型主要包括生物納米孔和固態(tài)納米孔等，測(cè)序主要包括核酸測(cè)序（主要是 DNA 測(cè)序）和蛋白質(zhì)分析等。

生物納米孔是指利用天然生物學(xué)通道（如 α- 溶血素結(jié)構(gòu)、恥垢分枝桿菌孔蛋白 A（MspA）等）的納米孔。牛津納米孔技術(shù)公司（Oxford Nanopore）Hagan Bayley 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了可商業(yè)化的 α- 溶血素生物納米孔。2009 年，該公司實(shí)現(xiàn)了堿基連續(xù)測(cè)定，準(zhǔn)確度平均為 99.8%[20]。此后，牛津納米孔技術(shù)公司推出了商業(yè)化的納米孔測(cè)序儀——MinION 和 GridION?；诩{米孔的單分子 DNA 讀取技術(shù)不再需要光學(xué)檢測(cè)和同步的試劑洗脫過(guò)程，也被稱(chēng)為第四代測(cè)序技術(shù)，相比更早的測(cè)序技術(shù)有著更快的數(shù)據(jù)讀取速度和更大的應(yīng)用潛能。2016 年，MinION 在國(guó)際空間站內(nèi)成功完成微重力條件下的 DNA 測(cè)序，被《科學(xué)》評(píng)為當(dāng)年十大科學(xué)突破。

2010 年，美國(guó)華盛頓大學(xué)的 Gundlach 首次證明，MspA 可用于 DNA 測(cè)序，并與阿拉巴馬大學(xué)微生物學(xué)家Michael Niederweis 合作證明 MspA 孔隙結(jié)合“棘輪系統(tǒng)”便可讀取短 DNA 序列[21]。2012 年，該團(tuán)隊(duì)利用 MspA和噬菌體 phi29 聚合酶，實(shí)現(xiàn)單核苷酸的分辨率和 DNA 易位控制，推動(dòng)了長(zhǎng)期以來(lái)生物納米孔遇到的兩個(gè)主要障礙的解決[22]。同年，美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校 Mark Akeson 團(tuán)隊(duì)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(gè)核苷酸的速度通過(guò)納米孔實(shí)現(xiàn)單核苷酸分辨率的實(shí)時(shí)檢測(cè)[23]。

生物納米孔在穩(wěn)定性、持久性等方面存在不足，難以滿(mǎn)足持續(xù)的大規(guī)模測(cè)序需求。隨著微加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，固態(tài)納米孔應(yīng)運(yùn)而生。人工制備的固態(tài)納米孔具有孔徑穩(wěn)定、物化性能良好、低成本、高讀長(zhǎng)、易集成等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代納米孔技術(shù)。固態(tài)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(cè) DNA 上具有出色的潛力。2010 年，哈佛大學(xué) Golovchenko 團(tuán)隊(duì)和美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員合作在《自然》上發(fā)表論文證實(shí)石墨烯可制成人工膜材料進(jìn)行 DNA 測(cè)序，指引了石墨烯納米孔 DNA 檢測(cè)的方向。Golovchenko 團(tuán)隊(duì)制備了與 DNA 分子直徑緊密匹配的石墨烯納米孔，發(fā)現(xiàn)其對(duì) DNA 具有非常好的靈敏度和分辨率[24]。

同時(shí)，納米孔的檢測(cè)物范圍也不斷擴(kuò)大，從 DNA 發(fā)展到 RNA、蛋白質(zhì)、金納米顆粒和有毒分子等。例如，牛津納米孔技術(shù)公司 Hagan Bayley 團(tuán)隊(duì)、美國(guó)加州大學(xué)圣克魯茲分校 Mark Akeson 團(tuán)隊(duì)和荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)Cees Dekker 團(tuán)隊(duì)等利用生物納米孔開(kāi)展蛋白檢測(cè)[25]；美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué) Marija Drndi 和 Meni Wanunu 團(tuán)隊(duì)利用薄的納米孔快速檢測(cè)小 RNA 分子[26]；英國(guó)東英吉利大學(xué)利用 MinION 測(cè)序鑒定細(xì)菌抗生素抗性島的位置和結(jié)構(gòu)[27]。

2.3 納米催化

納米催化領(lǐng)域主要包括催化劑的合成和制備、傳統(tǒng)催化、電催化、光催化等子領(lǐng)域，涉及研究前沿 92 個(gè)、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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化、光解水等研究方向。如表 5 所示，我國(guó)在該領(lǐng)域的高被引論文數(shù)量排名第一，所占份額超過(guò) 1/3，反映出我國(guó)近年來(lái)在納米催化領(lǐng)域具有較強(qiáng)的研究?jī)?yōu)勢(shì)。美國(guó)的高被引論文數(shù)量排名第二，所占比例接近 1/4。其余國(guó)家高被引論文數(shù)量相對(duì)較少。

表5 納米催化領(lǐng)域研究前沿高被引論文 Top 10 國(guó)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(jiàn)的活性組分包括金屬（及其化合物）、半導(dǎo)體、碳基材料（如石墨烯、碳納米管、石墨相 C3N4等）等。尺寸、形貌、結(jié)構(gòu)、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(shì)是在保證活性的前提下，盡量使用儲(chǔ)量豐富、價(jià)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(jī)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(guò)程，例如促進(jìn)光生電荷分離等。對(duì)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(fā)展迅速。納米催化的特點(diǎn)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(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)單原子催化劑具有與均相催化劑相當(dāng)?shù)幕钚?，從?shí)驗(yàn)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(yīng)類(lèi)型大致分為傳統(tǒng)催化、電催化和光催化 3 類(lèi)。

在傳統(tǒng)催化中，C1 化學(xué)占據(jù)重要位置，包括費(fèi)托合成、甲烷轉(zhuǎn)化、CO 氧化、CO2還原、甲醇氧化等。近年來(lái)，我國(guó) C1 化學(xué)取得一系列重大突破。中科院大連化物所包信和團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功地實(shí)現(xiàn)了甲烷在無(wú)氧條件下選擇活化，一步高效生產(chǎn)乙烯、芳烴和氫氣等高值化學(xué)品[29]。包信和團(tuán)隊(duì)還利用自主研發(fā)的新型復(fù)合催化劑，創(chuàng)造性地將煤氣化產(chǎn)生的合成氣高選擇性地直接轉(zhuǎn)化為低碳烯烴，乙烯、丙烯和丁烯的選擇性大于 80%，突破了費(fèi)托合成低碳烯烴選擇性最高 58% 的極限，改變了 90 多年來(lái)只能通過(guò)費(fèi)托合成途徑的歷史[30]。中科院上海高等院和上海科技大學(xué)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了暴露面為{101}和{020}晶面的 Co2C 納米平行六面體結(jié)構(gòu)催化劑，實(shí)現(xiàn)了溫和條件下（250oC、1—5 個(gè)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(dá) 60%，總烯烴選擇性高達(dá) 80%以上，烯/烷比可高達(dá) 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(yīng)是研究重點(diǎn)之一。鉑是重要的氧化還原反應(yīng)電催化劑。受鉑成本高等缺點(diǎn)影響，催化劑一方面朝著減少鉑用量方向發(fā)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(fā)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(lèi)重要的電催化反應(yīng)，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(guó)斯坦福大學(xué)戴宏杰團(tuán)隊(duì)制備的 Co3O4/氮摻雜石墨烯電催化劑同時(shí)具有很高的氧還原和析氧活性，受到強(qiáng)烈關(guān)注，文章被引次數(shù)超過(guò) 2 000 次[32]。CO2的轉(zhuǎn)化催化劑也是研究熱點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)謝毅團(tuán)隊(duì)采用新型鈷基電催化劑，將 CO2高效清潔地轉(zhuǎn)化為液體燃料，得到國(guó)際同行高度評(píng)價(jià)[33]。

在光催化中，水和空氣中污染物的降解是研究重點(diǎn)之一，常用的催化劑包括 TiO2等半導(dǎo)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?xì)淙剂险幱谘芯繜狳c(diǎn)，在減少溫室氣體的同時(shí)還可提供替代能源，常用催化劑包括 TiO2等半導(dǎo)體、Ag/AgX（X = Cl, Br, I）、金屬有機(jī)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(guó)家納米科學(xué)中心宮建茹研究員和武漢理工大學(xué)余家國(guó)教授合作制備的石墨烯負(fù)載 CdS 光解水制氫催化劑受到高度關(guān)注，文章被引次數(shù)超過(guò) 1 000 次[34]。

2.4 測(cè)量表征

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

表6 測(cè)量表征領(lǐng)域研究前沿高被引論文 Top 10 國(guó)家（2008—2015 年）

2.4.1 超分辨光學(xué)顯微成像

近年來(lái)隨著超分辨熒光顯微術(shù)的興起，研究人員研制了多種突破衍射極限的超分辨光學(xué)顯微鏡，分辨率可達(dá) 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(lèi)：一類(lèi)以 Stefan 發(fā)明的受激輻射耗盡顯微鏡（STED）為代表，通過(guò)調(diào)制光照明方式來(lái)實(shí)現(xiàn)超分辨；另一類(lèi)是基于單分子定位的超分辨顯微鏡，通過(guò)對(duì)具有光開(kāi)關(guān)功能的熒光基團(tuán)進(jìn)行單分子成像和定位而實(shí)現(xiàn)，光活化定位顯微技術(shù)（PALM）、隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微技術(shù)（STORM）、熒光活化定位顯微技術(shù)（fPALM）均是這一技術(shù)方向的研究熱點(diǎn)。2014 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)展超分辨率熒光顯微成像技術(shù)的 3 位科學(xué)家，分別是美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所教授 Eric Betzig（PALM技術(shù)）、德國(guó)馬克斯普朗克生物物理化學(xué)研究所教授 Stefan W. Hell（STED 技術(shù)）和美國(guó)斯坦福大學(xué)教授 William E. Moerner。

2.4.2 納米尺度磁共振研究

當(dāng)前通用的磁共振譜儀受制于探測(cè)方式，其成像分辨率僅為毫米級(jí)。納米尺度弱磁探測(cè)技術(shù)將磁共振技術(shù)的研究對(duì)象推進(jìn)到單分子，成像分辨率提升至納米級(jí)。

2008 年，德國(guó)斯圖加特大學(xué) Wrachtrup 團(tuán)隊(duì)和美國(guó)哈佛大學(xué) Lukin 團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了利用金剛石中的氮-空位色心進(jìn)行納米尺度弱磁探測(cè)的工作，開(kāi)創(chuàng)了納米測(cè)磁研究方向[35]。此外，哈佛大學(xué) Yacoby 團(tuán)隊(duì)和 Walsworth 團(tuán)隊(duì)以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰團(tuán)隊(duì)在該方向也非常活躍。杜江峰團(tuán)隊(duì)陸續(xù)取得了微波場(chǎng)的百納米級(jí)分辨率矢量重構(gòu)、繪制世界首張單個(gè)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(cè)量研究

原位透射電子顯微鏡（in situTEM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物質(zhì)在外部激勵(lì)下的微結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為的動(dòng)態(tài)、原位實(shí)時(shí)觀測(cè)。美國(guó)能源部桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室黃建宇（已經(jīng)全職加入燕山大學(xué)）團(tuán)隊(duì)利用原位透射電子顯微鏡技術(shù)對(duì)納米電極材料的鋰化和退鋰化過(guò)程進(jìn)行原位表征，首次實(shí)現(xiàn)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(guò)程中的形貌變化和作為鋰離子電池電極的鋰化機(jī)理[37]。

3 總結(jié)

本文通過(guò)納米領(lǐng)域文獻(xiàn)計(jì)量分析，結(jié)合領(lǐng)域情報(bào)人員的研究，得出以下結(jié)論：

（1）基于科睿唯安公司 ESI 數(shù)據(jù)庫(kù)中的 11 814 個(gè)研究前沿，通過(guò)文獻(xiàn)檢索、專(zhuān)家遴選等方法篩選出和納米研究相關(guān)的研究前沿 1 391 個(gè)，涉及高被引論文 6 639 篇（2008—2015 年）。在高被引論文數(shù)量方面，美國(guó)和中國(guó)分居前兩位，遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家。

（2）把 1 391 個(gè)納米研究前沿人工聚類(lèi)形成若干研究方向和研究領(lǐng)域。選擇了太陽(yáng)能電池、納米仿生孔、納米催化、測(cè)量表征 4 個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行分析解讀。在高被引論文數(shù)量方面，美國(guó)在太陽(yáng)能電池、納米仿生孔和測(cè)量表征 3 個(gè)領(lǐng)域排名第 1，在納米催化領(lǐng)域排名第 2。我國(guó)在納米催化領(lǐng)域排名第 1，在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域排名第 2，在測(cè)量表征領(lǐng)域排名第 4，在納米仿生孔領(lǐng)域未進(jìn)入前五。

（3）我國(guó)在納米科技領(lǐng)域已形成一批達(dá)到世界領(lǐng)跑水平的優(yōu)勢(shì)研究方向和優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)。例如，太陽(yáng)能電池方向——中科院化學(xué)所李永舫團(tuán)隊(duì)、中科院化學(xué)所侯建輝團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)占肖衛(wèi)團(tuán)隊(duì)、南開(kāi)大學(xué)陳永勝團(tuán)隊(duì)、華東理工大學(xué)鐘新華團(tuán)隊(duì)等；C1 化學(xué)方向——中科院大連化物所包信和團(tuán)隊(duì)、中科院上海高等研究院和上海科技大學(xué)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)等。

1 中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院. 2016研究前沿發(fā)布暨研討會(huì)在中科院舉行. [2016-11-1]. http://www.casaid.cn/ttxw1/zlyjytt/201706/t20170617_4813910.html

2 邊文越, 李澤霞, 冷伏海. 構(gòu)建包含知識(shí)元分析的科技前沿情報(bào)分析框架——以研究甲烷直接制乙烯為例. 圖書(shū)情報(bào)工作,2016, 60(10): 87-94.

3 Arora S K, Porter A L, Youtie J, et al. Capturing new developments in an emerging technology: an updated search strategy for identifying nanotechnology research outputs. Scientometrics,2013, 95(1): 351-370.

4 王小梅, 鄧啟平, 李國(guó)鵬, 等. ESI研究前沿的科學(xué)圖譜及在納米領(lǐng)域的應(yīng)用. 圖書(shū)情報(bào)工作, 2017, 61(12): 106-112.

5 Kojima A, Teshima K, Shirai Y, et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. J Am Chem Soc, 2009, 131(17): 6050-6051.

6 Im J H, Lee C R, Lee J W, et al. 6.5% Efficient Perovskite Quantum-Dot-Sensitized Solar Cell. Nanoscale, 2011, 3(10),4088-4093.

7 Lee M M, Teuscher J, Miyasaka T, et al. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured organometal halide perovskites.Science, 2012, 338(6107): 643-647.

8 Burschka J, Pellet N, Moon S, et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature,2013, 499 (7458): 316-319.

9 Yang W S, Noh J H, Jeon N J, et al. High-performance photovoltaic perovskite layers fabricated through intramolecular exchange. Science, 2015, 348(6240), 1234-1237.

10 Chen W, Wu Y Z, Yue Y F, et al. Efficient and stable large-area perovskite solar cells with inorganic charge extraction layers.Science, 2015, 350(6263): 944-948.

11 中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院, 中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心,英國(guó)科睿唯安. 2016研究前沿及分析解讀. 北京: 科學(xué)出版社,2017, 44.

12 Lin Y, Zhao F, He Q, et al. High-performance electron acceptor with thienyl side chains for organic photovoltaics. J Am Chem Soc, 2016, 138 (14): 4955-4961.

13 中國(guó)科學(xué)院. 化學(xué)所在非富勒烯型聚合物太陽(yáng)能電池研究中取得系列進(jìn)展. [2016-7-1]. http://www.cas.cn/syky/201607/t20160701_4566879.shtml.

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15 南開(kāi)大學(xué)新聞網(wǎng). 南開(kāi)團(tuán)隊(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池研究獲重大突破光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)12.7%. [2016-12-14]. http://news.nankai.edu.cn/nkyw/system/2016/12/14/000310835.shtml.

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19 Du J, Du Z, Hu J, et al. Zn-Cu-In-Se quantum dot solar cells with a certified power conversion efficiency of 11.6%. J Am Chem Soc,2016, 138(12): 4201-4209.

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21 Derringtona I M, Butlera T Z, Collins M D, et al. Nanopore DNA sequencing with MspA. PNAS, 2009, 107(37): 16060-16065.

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24 Garaj S, Hubbard W, Reina A, et al. Graphene as a subnanometre trans-electrode membrane. Nature, 2010, 467(7312): 190-193.

25 Plesa C, Kowalczyk S W, Zinsmeester R, et al. Fast translocation of proteins through solid state nanopores. Nano Lett, 2013, 13(2):658-663.

26 Wanunu M, Dadosh T, Ray V, et al. Rapid electronic detection of probe-specific microRNAs using thin nanopore sensors. Nature Nanotechnology, 2010, 5(11): 807-814.

27 Ashton P M, Nair S, Dallman T, et al. MinION nanopore sequencing identifies the position and structure of a bacterial antibiotic resistance island. Nature Biotechnology, 2015, 33(3):296-300.

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29 中國(guó)科學(xué)院. 2015科學(xué)發(fā)展報(bào)告. 北京: 科學(xué)出版社, 2015,205.

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31 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院. 中科院上海高研院合成氣直接制烯烴研究獲重大突破. [2016-10-06]. http://www.sari.cas.cn/xwzx/ttxw/201610/t20161003_4672665.html.

32 Liang Y, Li Y, Wang H, et al. Co3O4nanocrystals on graphene as a synergistic catalyst for oxygen reduction reaction. Nature Materials, 2011, 10 (10): 780-786.

33 中國(guó)科大新聞網(wǎng). 我校謝毅院士領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)成果登2016年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展榜首. [2017-02-21] http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201702/t20170221_267943.html.

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.

35 Balasubramanian G, Chan I Y, Kolesov R, et al. Nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions. Nature, 2008, 455(7213): 648-651.

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(zhàn)略咨詢(xún)?cè)貉芯繂T，管理學(xué)博士。研究方向：情報(bào)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(xiàng)目：納米科技重大創(chuàng)新領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)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(zhàn)略咨詢(xún)?cè)褐硌芯繂T，理學(xué)博士。研究方向：科技政策，情報(bào)分析方法。

E-mail: bianwenyue@casipm.ac.cn

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