核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在消防領(lǐng)域的新應(yīng)用
——基于科學(xué)知識(shí)圖譜的文獻(xiàn)計(jì)量分析

張桂云，張?zhí)煳?，趙宸豫，王 勇

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

0 引言

隨著對(duì)核殼結(jié)構(gòu)、微膠囊結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究的不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，但目前在消防材料方面的應(yīng)用還較少。具有核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料是一種包覆型復(fù)合材料，由外殼和內(nèi)核材料通過化學(xué)鍵或其他作用力有序組裝而成，通過外殼材料包覆內(nèi)核材料協(xié)同發(fā)揮作用。兩親性核殼結(jié)構(gòu)能達(dá)到單一材料無法達(dá)到的性能，因而其在諸多領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注與研究。廣義上的核殼結(jié)構(gòu)也包括微膠囊、空球等結(jié)構(gòu)。本文以“核殼結(jié)構(gòu)、微膠囊”為主題，基于科學(xué)知識(shí)圖譜進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析，以實(shí)現(xiàn)研究主題的可視化，從而明確核殼結(jié)構(gòu)研究熱點(diǎn)、研究進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用領(lǐng)域等信息，進(jìn)而為該領(lǐng)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(xué)引文索引擴(kuò)展版(SCI-EXDEED)中檢索核殼結(jié)構(gòu)研究相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。SCI-EXDEED是一個(gè)全球知名的科學(xué)論文引文數(shù)據(jù)庫，擁有嚴(yán)格的篩選指標(biāo)，從而保證高質(zhì)量的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。輸入檢索式(microcapsules OR “core shell”) AND (nanoscale OR “sub micron”)進(jìn)行主題檢索，文檔類型限制為article和review，檢索時(shí)間設(shè)置為“2000年1月—2020年10月”，最終檢索得到2 496篇相關(guān)文獻(xiàn)，分別隸屬于1 937個(gè)機(jī)構(gòu)，涉及10 329位作者，發(fā)表于525個(gè)期刊，總引文次數(shù)為107 09次。

1.2 方法

采用科學(xué)知識(shí)圖譜軟件VOSviewer對(duì)收集到的2 496篇核殼結(jié)構(gòu)研究相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析。分析結(jié)果包括研究產(chǎn)出分析和研究熱點(diǎn)分析兩個(gè)方面，研究流程如圖1所示。

圖1 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 研究產(chǎn)出分析

2.1.1 出版年分布

相關(guān)文獻(xiàn)的年出版數(shù)量是評(píng)價(jià)一個(gè)研究領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)的重要指標(biāo)。圖2為2 496篇文獻(xiàn)的年出版分布及累計(jì)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(shì)。早期核殼結(jié)構(gòu)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量較少，2000年僅為6篇，但不乏高質(zhì)量文獻(xiàn)樣本，如Wooley[1]提出“一種生產(chǎn)具有兩親性核—?dú)ば螒B(tài)的納米結(jié)構(gòu)材料的有效方法”。但從2003年開始，每年文獻(xiàn)產(chǎn)出呈現(xiàn)快速增長趨勢(shì)，至2019年達(dá)到峰值282篇，反映出核殼結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域的研究近些年關(guān)注度不斷上升。

圖2 2000—2020年文獻(xiàn)年出版數(shù)量及累計(jì)出版數(shù)量

2.1.2 國家/地區(qū)產(chǎn)出分布

基于WOS文獻(xiàn)信息，每篇文獻(xiàn)都會(huì)被分配到一個(gè)國家或地區(qū)，機(jī)構(gòu)的分配規(guī)則也是如此。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，核殼結(jié)構(gòu)相關(guān)文獻(xiàn)來源于74個(gè)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(lǐng)域的影響力。如表1所示，美國是最多產(chǎn)國家，其文獻(xiàn)數(shù)量達(dá)到698篇，中國位列第二名，為670篇，以上兩個(gè)國家的總發(fā)文量占文獻(xiàn)集合的54.8%，在核殼結(jié)構(gòu)相關(guān)研究領(lǐng)域中占主導(dǎo)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(luò)。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)大小表示發(fā)文數(shù)量的多少，線寬表示相關(guān)節(jié)點(diǎn)間合作關(guān)系的強(qiáng)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(qiáng)的合作關(guān)系，并以其為中心節(jié)點(diǎn)，形成巨大的國際合作網(wǎng)絡(luò)，反映出國際間“以美國為中心的廣泛的”核殼結(jié)構(gòu)研究的合作模式，其中，美國和中國擁有最為密切的合作關(guān)系。

表1 文獻(xiàn)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(duì)于美國，中國在核殼結(jié)構(gòu)領(lǐng)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(duì)核殼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域關(guān)注度極高。但結(jié)合“篇均引文數(shù)量”指標(biāo)，美國依舊是目前核殼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域最具影響力的國家，但中國在該領(lǐng)域的影響力正在逐漸提高，在未來將逐漸向網(wǎng)絡(luò)中心靠近。

2.1.3 機(jī)構(gòu)產(chǎn)出分布

基于WOS文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，2 496篇文獻(xiàn)隸屬于74個(gè)國家的525個(gè)機(jī)構(gòu)。表2給出排名前十的高產(chǎn)出機(jī)構(gòu)，其中，中國科學(xué)院是最高產(chǎn)出機(jī)構(gòu)，文獻(xiàn)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(nèi)其影響力低于復(fù)旦大學(xué)。

從國際上看，最具影響力的機(jī)構(gòu)是美國麻省理工學(xué)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(jī)構(gòu)中，除高麗大學(xué)，其余研究機(jī)構(gòu)都隸屬于中國和美國，并且數(shù)量相近，反映出核殼結(jié)構(gòu)領(lǐng)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(jié)論相對(duì)應(yīng)。采用VOSviewer，基于機(jī)構(gòu)合作關(guān)系進(jìn)行可視化分析，得到機(jī)構(gòu)合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。在我國，以中國科學(xué)院為中心，與北京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等構(gòu)成機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)，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(guān)系。整體上看，我國在核殼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域已經(jīng)形成了較為全面的合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，其中以中國科學(xué)院和中國科學(xué)院大學(xué)合作關(guān)系最為密切。

表2 文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量位于前十的機(jī)構(gòu)

圖4 機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

2.1.4 作者產(chǎn)出及合作關(guān)系

從文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中提取作者信息并對(duì)所有作者出現(xiàn)的頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。表3列出文獻(xiàn)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(dá)276.18次。

表3 核殼結(jié)構(gòu)研究中排名前十的高產(chǎn)出作者

采用VOSviewer，基于作者合作關(guān)系進(jìn)行可視化分析，得到作者合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。在圖5中，顏色相同的節(jié)點(diǎn)間構(gòu)成聚類集群，集群內(nèi)部節(jié)點(diǎn)具有較為顯著的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過作者聚類集群可以判斷作者間的團(tuán)隊(duì)關(guān)系。其中，合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)最大的是Zhang Weixian，與網(wǎng)絡(luò)中Wang Yong、Wang Wei等有明顯團(tuán)隊(duì)關(guān)系，且與其他作者團(tuán)隊(duì)(Zhou Xuefei團(tuán)隊(duì)、Liu Jing團(tuán)隊(duì))存在合作關(guān)系?？梢钥闯?，大部分高產(chǎn)出作者均有比較明顯的團(tuán)隊(duì)，如Lieber Charles M.(橘色)、Zhou Xuefei(淺藍(lán)色)、Bando Yoshio(淺粉色)等。

圖5 作者合作網(wǎng)絡(luò)

2.2 研究熱點(diǎn)分析

2.2.1 主題聚類分析

為進(jìn)一步分析核殼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域分布、研究熱點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)檢索到的核殼結(jié)構(gòu)相關(guān)文獻(xiàn)集合進(jìn)行文本挖掘，采用VOSviewer“主題聚類”功能進(jìn)行可視化分析。對(duì)軟件所提取的主題詞進(jìn)行預(yù)處理，合并同義標(biāo)簽，刪除無意義詞語，最終構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域主題詞聚類網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。其中，主題詞聚類網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)大小反映主題詞出現(xiàn)的頻次，節(jié)點(diǎn)越大，說明主題詞出現(xiàn)頻次越多，對(duì)該主題的研究熱度越高；節(jié)點(diǎn)之間的線寬反映主題詞之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，與主題詞在文獻(xiàn)標(biāo)題和摘要中共現(xiàn)次數(shù)相關(guān)，VOSviewer通過內(nèi)置函數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)主題詞進(jìn)行聚類劃分，形成具有相似屬性的關(guān)聯(lián)聚類。如圖6所示，從核殼結(jié)構(gòu)相關(guān)研究文獻(xiàn)集合中提取的主題詞被分為4個(gè)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(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料，聚類2(綠色)核殼結(jié)構(gòu)在藥物載體方面的應(yīng)用，聚類3(藍(lán)色)核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表征，聚類4(黃色)核殼結(jié)構(gòu)在催化氧化、電化學(xué)方面的應(yīng)用。表4列出4個(gè)聚類中詞頻最高的15個(gè)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(luò)中占比最大，說明核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料是核殼結(jié)構(gòu)研究的主要熱點(diǎn)領(lǐng)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(yīng)都會(huì)對(duì)核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的屬性產(chǎn)生影響，進(jìn)而關(guān)聯(lián)到相應(yīng)領(lǐng)域。聚類2(綠色)體現(xiàn)出核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的兩大特點(diǎn)，一是核殼結(jié)構(gòu)的兩親性，二是復(fù)合材料能夠在到達(dá)任務(wù)點(diǎn)后由外殼結(jié)構(gòu)分解從而釋放出內(nèi)核材料或者內(nèi)核材料經(jīng)外殼孔狀結(jié)構(gòu)釋放作用于任務(wù)點(diǎn)。聚類3(藍(lán)色)與聚類1不同，主題為核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表征，包括宏觀、微觀物化性質(zhì)的表征。核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料作為一種包覆型復(fù)合材料，其包覆效果是一個(gè)重要指標(biāo)。表4聚類3列舉的主題詞，可以反映出對(duì)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(jié)構(gòu)復(fù)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(xué)儲(chǔ)能、電池的結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域主題聚類網(wǎng)絡(luò)

通過主題聚類分析可以得到核殼結(jié)構(gòu)研究的應(yīng)用領(lǐng)域分布及核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的主要特征。其應(yīng)用領(lǐng)域有生物醫(yī)藥方面的藥物運(yùn)輸、電化學(xué)儲(chǔ)能、催化作用等。其中，在藥物運(yùn)輸方面的應(yīng)用體現(xiàn)在殼結(jié)構(gòu)可以保護(hù)核結(jié)構(gòu)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(nèi)部核物質(zhì)，該特點(diǎn)也是核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用在諸多領(lǐng)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(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)，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(diǎn)顏色變化反映其平均出版年份(對(duì)應(yīng)圖中標(biāo)尺)，黃色部分主要聚集在聚類4和聚類2。由此可知，核殼結(jié)構(gòu)近期研究熱點(diǎn)集中在催化、電化學(xué)方面，對(duì)于聚類2藥物運(yùn)輸方面的應(yīng)用，研究熱點(diǎn)主要體現(xiàn)在腫瘤治療方面。從2000年發(fā)表的6篇文獻(xiàn)來看，Desai等[2]研究了核殼結(jié)構(gòu)在藥物運(yùn)輸方面的應(yīng)用，Schneider等[3]研究了核殼結(jié)構(gòu)在催化方面的應(yīng)用，其余4篇?jiǎng)t集中于材料基礎(chǔ)表征和核殼改進(jìn)優(yōu)化方面的研究?？梢钥闯?，當(dāng)前研究熱點(diǎn)其實(shí)在核殼結(jié)構(gòu)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(luò)

2.2.2 高引用參考文獻(xiàn)分析

文獻(xiàn)的被引頻次與文獻(xiàn)的影響力、權(quán)威性、學(xué)術(shù)水平相關(guān)，亦能代表該主題研究發(fā)展方向。如表5所示，通過對(duì)文獻(xiàn)集合中引用頻次最多的10篇參考文獻(xiàn)進(jìn)行分析，可以看出對(duì)核殼結(jié)構(gòu)研究的主題主要體現(xiàn)在核殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、合成和應(yīng)用等方面。引用次數(shù)最多的文獻(xiàn)是核殼結(jié)構(gòu)在催化領(lǐng)域應(yīng)用的研究，結(jié)合上文主題聚類分析可以得出核殼結(jié)構(gòu)在催化方面的研究頗多[4]。第3篇文獻(xiàn)體現(xiàn)了核殼結(jié)構(gòu)在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Π┌Y治療的應(yīng)用，研究了通過操控納米殼、介電核的納米核殼結(jié)構(gòu)粒子，達(dá)到光熱誘導(dǎo)細(xì)胞死亡或腫瘤緩解的目的[5]。第8篇文獻(xiàn)研究了核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在電催化方面的應(yīng)用，分析了不同結(jié)構(gòu)的核殼材料對(duì)催化性能方面的影響[6]。

表5 前十高引用參考文獻(xiàn)

2.3 討論

核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，但其在消防領(lǐng)域的應(yīng)用還相對(duì)較少?？紤]到滅火劑可以兩相或三相協(xié)同作用，在檢索結(jié)果中篩選核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在滅火劑方面的應(yīng)用，得到文獻(xiàn)數(shù)據(jù)較少，但基于現(xiàn)有文獻(xiàn)材料分析，發(fā)現(xiàn)核殼材料應(yīng)用于消防領(lǐng)域的可行性較強(qiáng)。Ni等[14]制備出一種新型的具有核殼結(jié)構(gòu)的滅火劑，該滅火劑是一種復(fù)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(fù)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(nèi)核液體凝膠化處理，相對(duì)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(shí)不會(huì)降低滅火性能；Ni等[17]提出針對(duì)特殊物質(zhì)的火災(zāi)，可以通過選擇不同的核、殼材料來進(jìn)行滅火；Zhang等[18]對(duì)固液組合滅火劑進(jìn)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(jié)構(gòu)復(fù)合材料可以作為一種新型滅火劑應(yīng)用在消防領(lǐng)域。核材料和殼材料的多樣性，可以針對(duì)不同火災(zāi)類型進(jìn)行不同組合的研究，因此核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在消防領(lǐng)域作為滅火劑進(jìn)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(jié)論

采用文獻(xiàn)計(jì)量和科學(xué)知識(shí)圖譜，對(duì)收集到的2 496篇核殼結(jié)構(gòu)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：(1)通過產(chǎn)出分布分析和合作關(guān)系(包含地區(qū)合作、機(jī)構(gòu)合作、作者合作)分析可以看出：近年來對(duì)核殼結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域研究關(guān)注度呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)；在世界范圍內(nèi)形成了“以美國為中心的廣泛的”核殼結(jié)構(gòu)研究合作網(wǎng)絡(luò)，美國和中國是研究的主要力量，擁有最為密切的合作關(guān)系；美國是目前核殼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中最具影響力的國家，中國在該領(lǐng)域的影響力正在逐漸提高，未來將逐漸向網(wǎng)絡(luò)中心靠近；高產(chǎn)出作者往往擁有良好的團(tuán)隊(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。(2)通過主題聚類分析，文獻(xiàn)聚類為4個(gè)子集，包括核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點(diǎn)、應(yīng)用到兩個(gè)領(lǐng)域(催化和電催化、藥物運(yùn)輸)以及表征方法，基于平均出版年份分析可以得到核殼結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)主要集中在催化電催化、藥物運(yùn)輸?shù)确矫?；通過高引用參考文獻(xiàn)分析得到的結(jié)論與主題聚類分析得到的研究熱點(diǎn)結(jié)論相佐。(3)受到核殼結(jié)構(gòu)復(fù)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(xiàn)資料分析，發(fā)現(xiàn)核殼材料應(yīng)用于消防領(lǐng)域的可行性較強(qiáng)，將其作為滅火劑進(jìn)行研究的前景廣闊。