材料科學(xué)研究熱點(diǎn)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(bào)研究所，甘肅 蘭州 730000)(2.甘肅省科技評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)(3. 慶陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 慶陽745000)

1 前 言

1985年英國(guó)化學(xué)家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國(guó)科學(xué)家理查德·斯莫利(1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者)制得碳原子簇結(jié)構(gòu)分子C60[1]，至今，富勒烯經(jīng)歷了從發(fā)現(xiàn)、規(guī)模合成，到應(yīng)用研究，以及富勒烯衍生物的合成與應(yīng)用。富勒烯家族的諸多物理化學(xué)特性，尤其是C60獨(dú)特的性質(zhì)，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域如有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、高分子科學(xué)、催化化學(xué)、電化學(xué)、超導(dǎo)體與鐵磁體等展現(xiàn)出其優(yōu)越性質(zhì)。Friedman等在1993年發(fā)表的文章中認(rèn)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(yíng)養(yǎng)供給[2]。1999年Serdar Sariciftci認(rèn)為共軛高分子材料由于同時(shí)具有良好的加工性和柔韌性及摻雜后優(yōu)良的導(dǎo)電性，以及價(jià)格低廉、可大面積成膜等優(yōu)點(diǎn)，因此在光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值[3]。2014年莫斯科理工學(xué)院、俄羅斯超硬和新型碳材料技術(shù)研究所(FSBI TISNCM)和密西根大學(xué)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(qiáng)度[4]。此外，來自中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的Zhao團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY(2017年期刊影響因子為14.357)發(fā)表一篇重要文獻(xiàn)(被引超過900次)，實(shí)驗(yàn)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(jī)太陽能電池，取得了超過13%的能量轉(zhuǎn)換效率[5]。上述一系列不斷涌出的富勒烯研究成果，進(jìn)一步推進(jìn)了富勒烯領(lǐng)域的研究與應(yīng)用發(fā)展，并在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出其巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

為此，挖掘國(guó)際富勒烯領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和前沿，將為富勒烯的學(xué)科交叉研究，以及發(fā)現(xiàn)可能的延伸領(lǐng)域研究，帶來可能的線索。與此同時(shí)，對(duì)文獻(xiàn)計(jì)量理論、重要文獻(xiàn)比較、可視化展示等手段的應(yīng)用實(shí)例，為材料科學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域的科研人員，把握學(xué)科熱點(diǎn)和學(xué)科前沿提供借鑒。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

考慮到數(shù)據(jù)源的國(guó)際性、有效性、權(quán)威性和易得性，選擇湯森路透公司開發(fā)的Web of Science核心合集中的SCI(Science Citation Index Expanded)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(biāo)題”，檢索時(shí)間段：2007至2017，檢索時(shí)間為2017年4月1日，結(jié)果共檢索到10 205條數(shù)據(jù)。采取“全記錄與引用的參考文獻(xiàn)”的“純文本”格式導(dǎo)出，形成分析的原始數(shù)據(jù)。

由于各期刊要求格式不完全一致，原始數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)格式軟件無法識(shí)別，作者姓名全稱簡(jiǎn)稱不一，關(guān)鍵詞大小寫、單復(fù)數(shù)等諸多問題，導(dǎo)致后續(xù)分析數(shù)據(jù)的遺漏、重復(fù)等情況。為此，有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，主要采取了軟件與人工相結(jié)合的方式進(jìn)行，確保數(shù)據(jù)盡量規(guī)范有效。

3 研究方法與工具

共詞分析(co-word analysis)最早被文獻(xiàn)記錄出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代后期，屬文獻(xiàn)計(jì)量領(lǐng)域，主要是對(duì)一組詞語(數(shù)據(jù))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，篩選出較高頻次字段的文獻(xiàn)，研究相同字段共同出現(xiàn)在若干文獻(xiàn)中的頻次。在此基礎(chǔ)上，主要通過聚類手段，得出文獻(xiàn)中詞語(研究主題)之間的密切聯(lián)系程度，從而判斷出學(xué)科研究領(lǐng)域的變化情況[6-9]。

隨著期刊文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化格式出版，為計(jì)算機(jī)共詞分析統(tǒng)計(jì)帶來了諸多便捷，也為了解學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展變化提供了更為直觀可視的手段。當(dāng)前可進(jìn)行共詞分析的工具較多，如湯森路透公司開發(fā)的Thomson Data Analyzer、olle Persson開發(fā)的Bibexcel、陳超美等開發(fā)的CiteSpace、Excel等工具均可進(jìn)行共詞分析。Thomson Data Analyzer與Web of Science均由湯森路透公司開發(fā)，一次導(dǎo)出數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)無縫結(jié)合，但使用成本較高；Bibexcel共詞分析相對(duì)較為繁瑣，但數(shù)據(jù)打開便捷，也方便后續(xù)的可視化展示，且為免費(fèi)工具；CiteSpace歷經(jīng)多年多版本的更新升級(jí)，在引文分析及可視化方面為當(dāng)前熱點(diǎn)工具，尤其在前沿文獻(xiàn)獲取優(yōu)勢(shì)明顯；Excel也可通過數(shù)據(jù)透視表等功能實(shí)現(xiàn)共詞分析，但與后續(xù)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(diǎn)，本文采用Bibexcel、CiteSpace V進(jìn)行了一系列的共詞分析，并結(jié)合VOSviewer、UCinet軟件進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)處理和展示。

4 研究結(jié)果及分析

4.1 研究概況

1962年“C-60”首次出現(xiàn)在文章標(biāo)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(lǐng)域的文章出現(xiàn)在1985年，題名為“C-60-Buckminsterfullerene”，之后富勒烯相關(guān)研究在學(xué)術(shù)界引起波動(dòng)[1，10]。自1991年開始，有關(guān)富勒烯的文獻(xiàn)出現(xiàn)井噴，1996年年度發(fā)文到達(dá)1188篇，之后有關(guān)富勒烯領(lǐng)域的文獻(xiàn)保持持續(xù)高發(fā)文量(圖1)。

圖1 富勒烯領(lǐng)域歷年發(fā)文量Fig.1 The number of annual publications of the field of fullerenes

4.2 研究熱點(diǎn)

為充分發(fā)揮各種分析工具的優(yōu)點(diǎn)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，凸顯富勒烯研究熱點(diǎn)可視化結(jié)果以及分析便捷，采用多方式聯(lián)合可視化分析：借助Bibexcel關(guān)鍵詞“DE”字段抽取，形成共詞矩陣，聯(lián)合VOSviewer(Minimum total link strength of an item參數(shù)為5)，形成富勒烯領(lǐng)域研究熱度圖(圖2)；借助Bibexcel關(guān)鍵詞“DE”字段抽取，形成共詞矩陣，并導(dǎo)入U(xiǎn)Cinet形成富勒烯領(lǐng)域研究關(guān)鍵詞共詞圖(圖3，選擇顯示共詞參數(shù)不小于5)；采用CiteSpace V(節(jié)點(diǎn)類型為Keyword、主題詞類型為Noun Phrases，算法為Pathfinder)得到富勒烯領(lǐng)域研究關(guān)鍵詞(圖4和表1)。

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

圖3 富勒烯領(lǐng)域研究關(guān)鍵詞共詞Fig.3 The co-words of key words of fullerene field

圖4 富勒烯領(lǐng)域研究關(guān)鍵詞Fig.4 The key words of fullerene field

綜合分析圖2至圖4以及表1，發(fā)現(xiàn)與富勒烯相關(guān)的研究熱點(diǎn)除富勒烯本身外主要有以下3個(gè)方面：C60，涉及聚合物、光譜檢測(cè)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，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(lǐng)域的能量轉(zhuǎn)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(lǐng)域最熱的研究主題。

表1 富勒烯領(lǐng)域研究關(guān)鍵詞top10

4.3 研究前沿

借助CiteSpace V的強(qiáng)大篩選過濾，選擇每年top5的被引文獻(xiàn)，其他為默認(rèn)選擇，獲得93篇高被引經(jīng)典文獻(xiàn)的可視化圖，再通過“K”聚類和“LLR”算法抽取標(biāo)識(shí)詞，得到20個(gè)類簇(圖5)。

再通過20個(gè)類簇的節(jié)點(diǎn)“List CITing Papers to the Cluster”，獲得施引93篇經(jīng)典文獻(xiàn)的各簇前沿文獻(xiàn)。選擇平均年份最近的簇，最終形成富勒烯最前沿的文獻(xiàn)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(xiàn)，得到5個(gè)前沿研究方向:

(1)非富勒烯聚合物：4篇文獻(xiàn)進(jìn)行了非富勒烯聚合物在太陽能電池方面的應(yīng)用研究[11-14]。其中，來自中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所和北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Bin等，研究的非富勒烯聚合物太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.4%[11]。

(2)富勒烯太陽能光電轉(zhuǎn)換：3篇文獻(xiàn)進(jìn)行了富勒烯聚合物、分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提升太陽能光電轉(zhuǎn)換效率的研究[15-17]。其中，來自韓國(guó)Gwangju科技研究所和Heeger先進(jìn)材料技術(shù)中心的Choi等，研究?jī)?yōu)化的富勒烯太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(jié)構(gòu)、性能的變化，主要用于改進(jìn)富勒烯聚合物光電轉(zhuǎn)換效率[18, 19]。

(4)富勒烯材料熱檢測(cè)：來自俄羅斯莫斯科國(guó)立大學(xué)的Mikheev等，應(yīng)用富勒烯C60、C70的獨(dú)特性能，研究了一種熱散失測(cè)量方法[20]。

(5)富勒烯醫(yī)藥抗癌：來自烏克蘭基輔塔拉斯舍甫琴科國(guó)立大學(xué)的3篇文獻(xiàn)進(jìn)行了富勒烯C60的醫(yī)藥領(lǐng)域探索研究[21-23]。Prylutskyy等進(jìn)行了富勒烯C60生理學(xué)研究，認(rèn)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(jìn)行了富勒烯C60與白血病的研究，C60聯(lián)合治療可使白血病L1210細(xì)胞在24 h內(nèi)顯著下降達(dá)37%，且48 h觀察無細(xì)胞毒副作用。Bychko等研究了C60聯(lián)合抗擊宮頸癌細(xì)胞的作用機(jī)制。

表2 富勒烯前沿文獻(xiàn)

4.4 潛在研究

進(jìn)一步圍繞富勒烯的研究深入挖掘潛在研究方向，采用在數(shù)據(jù)中剔除關(guān)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(shù)不小于5)。

從圖6發(fā)現(xiàn)，圍繞富勒烯形成了兩大潛在(關(guān)聯(lián))研究:(1)太陽能電池(solar cell)，即富勒烯聚合物的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率前沿研究，包括3個(gè)熱點(diǎn)研究方向，一是太陽能電池的穩(wěn)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(jī)薄膜晶體管和有機(jī)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(guān)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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于富勒烯太陽能電池已是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，因此富勒烯的主要潛在(關(guān)聯(lián))研究為用于制造石墨烯的碳納米管。

5 結(jié) 語

文章采用Bibexcel、CiteSpace、VOSviewer、UCinet等軟件完成富勒烯研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿方向挖掘，尤其是在研究熱點(diǎn)尋找方面，多款軟件的可視化聯(lián)合應(yīng)用互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，熱點(diǎn)更加醒目和準(zhǔn)確，同時(shí)結(jié)合CiteSpace的時(shí)間軸比較分析，可快速發(fā)現(xiàn)研究熱點(diǎn)持續(xù)時(shí)間，為廣大科研工作者探求相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿識(shí)別提供了借鑒實(shí)例。

通過上述分析，得出以下兩點(diǎn)富勒烯可能的重點(diǎn)研究方向和熱點(diǎn)：(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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的希望，富勒烯應(yīng)用于太陽能電池光能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率20.5%)等材料進(jìn)行比較[24]，當(dāng)前富勒烯太陽能電池光能轉(zhuǎn)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(guān)技術(shù)參數(shù)，是當(dāng)前和未來富勒烯領(lǐng)域科研工作者的重要工作之一。(2)富勒烯醫(yī)療應(yīng)用研究。富勒烯的醫(yī)藥抗癌應(yīng)用研究處在理論研究階段，盡管還不是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，但其對(duì)人類意義深遠(yuǎn)的價(jià)值和廣闊的應(yīng)用空間，勢(shì)必成為持續(xù)的研究前沿。為此，進(jìn)一步推進(jìn)理論研究，并從實(shí)驗(yàn)室走向醫(yī)療應(yīng)用將是富勒烯研究發(fā)展的重大課題。

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