日前，中科院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院月國(guó)家納米科學(xué)中心聯(lián)合發(fā)布《納米研究前沿分析報(bào)告》，報(bào)告內(nèi)容顯示，近年來(lái)，全球主要國(guó)家納米技術(shù)研究投資不斷加大，科研人員數(shù)量和相關(guān)企業(yè)數(shù)均大幅增加，在生物醫(yī)藥等新興領(lǐng)域受到重視，并且納米技術(shù)研究邁向新階段，由單一的納米材料制備和功能調(diào)控轉(zhuǎn)向納米技術(shù)的應(yīng)用和商業(yè)化。
報(bào)告選擇了“鋰電池”“太陽(yáng)能電池”“納米發(fā)電機(jī)”“納米藥物”“納米檢測(cè)”“納米仿生孔”“納米安全性”“納米催化”和“測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)”9個(gè)前沿研究領(lǐng)域分別進(jìn)行分析，其中，納米檢測(cè)研究主要圍繞量子點(diǎn)、貴金屬納米簇、上轉(zhuǎn)換材料等納米探針等技術(shù)以及納米生物傳感器幾個(gè)方面開(kāi)展。納米生物和醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)主要集中在用于分子影像診斷的納米探針技術(shù);在貴金屬納米簇納米探針研究高被引論文主要以核苷酸作為保護(hù)模板合成熒光銀納米簇探針的研究，以增加其穩(wěn)定性，并將其用于核苷酸、汞離子及蛋白等的生物檢測(cè)。
在 “測(cè)量表征”部分，報(bào)告指出，納米測(cè)量表征技術(shù)主要有兩個(gè)發(fā)展方向，即光干涉測(cè)量技術(shù)和掃描纖維測(cè)量技術(shù)。該領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文153篇，研究?jī)?nèi)容包括光譜測(cè)量研究、電子顯微測(cè)量研究以及利用多種表征手段研究納米材料的表面/界面等。其中光譜測(cè)量研究對(duì)超分辨成像、納米尺度磁共振研究、表面等離激元共振(SPR)以及表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)四個(gè)研究方向進(jìn)行了分析，指出當(dāng)前各研究技術(shù)主要進(jìn)展及研究?jī)?nèi)容。此外，報(bào)告中指出，原位透射電子顯微鏡(in situ TEM)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)。該方向的研究聚焦在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。
報(bào)告全文如下：
納米研究前沿分析報(bào)告
中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院
國(guó)家納米科學(xué)中心
2017年8月
《納米前沿分析報(bào)告》編寫(xiě)組
指導(dǎo)顧問(wèn)
國(guó)家納米科學(xué)中心 劉鳴華
總體設(shè)計(jì)
中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院 冷伏海 邊文越
國(guó)家納米科學(xué)中心 吳樹(shù)仙
各國(guó)計(jì)劃分析
中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院 張超星
研究前沿解讀
中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院 王海名(鋰電池、太陽(yáng)能電池、測(cè)量表征)
中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院 邢穎(納米藥物、納米檢測(cè)、仿生納米孔、納米安全性)
中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院 邊文越(納米發(fā)電機(jī)、納米催化)
數(shù)據(jù)分析化與可視化圖譜
中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢(xún)研究院 李國(guó)鵬 王小梅
摘要
納米技術(shù)是具有廣泛應(yīng)用前景的戰(zhàn)略性前沿技術(shù)。本研究采用內(nèi)容分析、文獻(xiàn)計(jì)量、圖譜可視化等分析方法，結(jié)合專(zhuān)家和領(lǐng)域情報(bào)人員的研究，對(duì)美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、歐盟、日本、韓國(guó)、印度、澳大利亞以及我國(guó)納米技術(shù)的戰(zhàn)略規(guī)劃和發(fā)展布局進(jìn)行了調(diào)研分析;基于高被引論文的共被引關(guān)系，形成納米技術(shù)前沿科學(xué)圖譜，揭示了納米技術(shù)的前沿方向，對(duì)比了主要國(guó)家的高被引論文數(shù)量;并選擇了“鋰電池”“太陽(yáng)能電池”“納米發(fā)電機(jī)”“納米藥物”“納米檢測(cè)”“納米仿生孔”“納米安全性”“納米催化”和“測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)”9個(gè)前沿研究領(lǐng)域分別進(jìn)行了分析解讀。研究得出以下結(jié)論：
1. 通過(guò)對(duì)比分析主要國(guó)家的納米技術(shù)研發(fā)計(jì)劃發(fā)現(xiàn)：(1)各國(guó)對(duì)納米技術(shù)的信心普遍增強(qiáng)，資金投入和人員投入普遍加大;(2)各國(guó)將納米技術(shù)列入促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和解決重要問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，能源和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域尤其受到重視;(3)納米技術(shù)研發(fā)重心由最初單一的納米材料制備和功能調(diào)控轉(zhuǎn)向納米材料的應(yīng)用和商業(yè)化;(4)各國(guó)通過(guò)公共研發(fā)平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)等方式，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作及與其他領(lǐng)域的融合;(5)各國(guó)紛紛開(kāi)展環(huán)境、健康、安全和倫理、限制等方式，社會(huì)研究以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定，促進(jìn)納米技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)被社會(huì)接受;(6)各國(guó)普遍重視納米技術(shù)的基礎(chǔ)教育和高等教育。
2. 基于科睿唯安公司Essential Science Indicators數(shù)據(jù)庫(kù)中的11814個(gè)研究前沿，篩選出納米領(lǐng)域研究前沿1391個(gè)，綜合考慮論文的被引用情況和發(fā)表時(shí)間，遴選出41個(gè)熱點(diǎn)前沿和37個(gè)新興前沿。1391個(gè)研究前沿涉及高被引論文6639篇，美國(guó)和中國(guó)高被引論文數(shù)量遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家。
3. 美國(guó)在“太陽(yáng)能電池”“納米發(fā)電機(jī)”“納米藥物”“納米檢測(cè)”“納米仿生孔”“納米安全性”和“測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)”7個(gè)前沿研究領(lǐng)域中高被引論文數(shù)量排名第一，在“鋰電池”和“納米催化”中高被引論文數(shù)量排名第二。我國(guó)在“鋰電池”和“納米催化”2個(gè)研究領(lǐng)域中高被引論文數(shù)量排名第一，在“太陽(yáng)能電池”“納米發(fā)電機(jī)”“納米藥物”“納米檢測(cè)”“納米安全性”5個(gè)研究領(lǐng)域中排名第二，在“測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)”中排名第四，在“納米仿生孔”方面還有待提高。
4. 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)。例如中科院化學(xué)所、南開(kāi)大學(xué)、華東理工大學(xué)、北京大學(xué)等機(jī)構(gòu)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，中科院大連化物所、中科院上海高等研究院和上海科技大學(xué)等機(jī)構(gòu)在高效合成低碳烯烴領(lǐng)域，均取得突出成果。
綜觀納米研究的前沿分布和變化趨勢(shì)，我們相信：納米科技正在深入到科技與社會(huì)的變革領(lǐng)域，向綠色、健康等國(guó)際前沿和國(guó)家需求的大方向發(fā)展，中國(guó)在世界競(jìng)爭(zhēng)格局中逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，并具有改變未來(lái)發(fā)展秩序的潛力。
由于數(shù)據(jù)研究和專(zhuān)業(yè)水平的限制，本報(bào)告可能有些觀點(diǎn)有待商榷，懇請(qǐng)各位專(zhuān)家讀者批評(píng)指正。
《納米研究前沿分析報(bào)告》編寫(xiě)組
2017 年 7 月
北京
一 主要國(guó)家納米研究計(jì)劃分析
2001年，美國(guó)率先制定了《國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃》，英國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、歐盟、中國(guó)、日本、韓國(guó)、印度、澳大利亞等國(guó)家隨后也制定了本國(guó)或本地區(qū)的納米技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。進(jìn)入本世紀(jì)第二個(gè)十年，各國(guó)紛紛對(duì)原有計(jì)劃進(jìn)行了更新和調(diào)整。
縱觀各國(guó)納米技術(shù)研發(fā)計(jì)劃，既有共性又有各自的特色和側(cè)重。共性之處至少包括以下6點(diǎn)：(1)對(duì)納米技術(shù)的信心普遍增強(qiáng)，投資力度普遍加大，核心科研人員數(shù)量和相關(guān)企業(yè)數(shù)均大幅增加;(2)將納米技術(shù)列入促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和解決關(guān)鍵問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，在能源和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域尤其受到重視;(3)研發(fā)重心由最初單一的納米材料制備和功能調(diào)控轉(zhuǎn)向納米材料的應(yīng)用和商業(yè)化，納米技術(shù)的研究走向了新的階段;(4)通過(guò)公共研發(fā)平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)等方式，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作及與其他領(lǐng)域的融合，縮短從“提案”到“產(chǎn)業(yè)化”的時(shí)間;(5)開(kāi)展EHS(環(huán)境、健康、安全)和ELSI(倫理、限制、社會(huì)課題)研究以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范(ISO、IEC)的制定，促進(jìn)納米技術(shù)新型產(chǎn)業(yè)被社會(huì)接受;(6)重視納米技術(shù)的基礎(chǔ)教育和高等教育。
在各自特色和側(cè)重方面，首先各國(guó)計(jì)劃的總體方向和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不盡相同。作為納米創(chuàng)新戰(zhàn)略的領(lǐng)先者，美國(guó)的納米戰(zhàn)略和研究目標(biāo)更為具體，近幾年先后制定了關(guān)于碳納米管研究、納米纖維素商業(yè)化及納米技術(shù)在水資源的可持續(xù)利用等使命導(dǎo)向型的研究計(jì)劃。同時(shí)，其戰(zhàn)略規(guī)劃更致力于通過(guò)多學(xué)科融合解決一些重大挑戰(zhàn)問(wèn)題，例如2015年發(fā)布了《納米技術(shù)引發(fā)的重大挑戰(zhàn)：未來(lái)計(jì)算》項(xiàng)目。日本的戰(zhàn)略規(guī)劃強(qiáng)調(diào)利用納米技術(shù)“尖端化”和“融合化”的已有成果，將那些能夠應(yīng)對(duì)社會(huì)需求的納米技術(shù)進(jìn)一步體系化，促進(jìn)課題解決型研究的發(fā)展。韓國(guó)的戰(zhàn)略規(guī)劃在繼續(xù)重視戰(zhàn)略性納米技術(shù)基礎(chǔ)研究的前提下強(qiáng)調(diào)促進(jìn)納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)融合型新興產(chǎn)業(yè)、未來(lái)發(fā)展動(dòng)力、整潔便利環(huán)境、健康長(zhǎng)壽及安全放心的社會(huì)5大國(guó)家戰(zhàn)略技術(shù)目標(biāo)。德國(guó)的納米研究計(jì)劃將研究重點(diǎn)放在了對(duì)現(xiàn)有研究成果的有效轉(zhuǎn)化上，希望借此能提高德國(guó)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。歐盟近幾年的納米技術(shù)戰(zhàn)略計(jì)劃側(cè)重于石墨烯的研發(fā)和應(yīng)用上，尤其是其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。澳大利亞的納米戰(zhàn)略計(jì)劃希望在已有研究實(shí)力基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境、健康、國(guó)家安全及振興制造業(yè)等重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題的解決。至于中國(guó)，除國(guó)家自然科學(xué)基金委外，其它相關(guān)機(jī)構(gòu)沒(méi)有設(shè)立單獨(dú)針對(duì)納米科學(xué)和技術(shù)的全譜規(guī)劃。國(guó)家自然科學(xué)基金委的規(guī)劃更偏重于基礎(chǔ)研究，重在納米制造和測(cè)量及機(jī)理/機(jī)制的研究，部分規(guī)劃涉及應(yīng)用領(lǐng)域，如能源、醫(yī)藥、環(huán)境等，但多數(shù)處于應(yīng)用研究的最前端，離真正的商業(yè)化或者產(chǎn)業(yè)化還有較長(zhǎng)距離。
其次，各國(guó)計(jì)劃中具體研究方向/領(lǐng)域也存在著顯著的區(qū)別。本文選取了生物、環(huán)境、能源、器件與制造、測(cè)量、儀器設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)與安全7個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)。
1)生物領(lǐng)域：英國(guó)偏重于生物納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，如建立納米纖維的生產(chǎn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)納米工廠等;中國(guó)較重視碳納米材料的生物應(yīng)用及具有免疫應(yīng)答的生物醫(yī)用材料的開(kāi)發(fā);澳大利亞偏重于人體仿生納米器件的研究;印度希望利用納米粒子開(kāi)發(fā)抗蟲(chóng)害植物品種。俄羅斯、德國(guó)、韓國(guó)及歐盟等把納米植入材料作為其重要的研究方向;美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞、日本及印度等把納米藥物的靶向輸送列為重點(diǎn)支持方向;美國(guó)、日本、德國(guó)等高度重視醫(yī)學(xué)成像。
2)環(huán)境領(lǐng)域：歐盟和德國(guó)將CO2的捕獲和利用作為重要的研究方向，英國(guó)更為關(guān)注納米材料對(duì)環(huán)境的毒性研究，日本把放射性物質(zhì)的去除技術(shù)作為其戰(zhàn)略方向之一，韓國(guó)較為重視大氣凈化納米催化劑研究，中國(guó)較為重視極端環(huán)境材料的研發(fā)。美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、澳大利亞、日本等高度重視納米材料水處理技術(shù)。
3)能源領(lǐng)域：美國(guó)在納米儲(chǔ)能材料領(lǐng)域較為重視鋰電池固體聚合物電解質(zhì)、熱自發(fā)電池等的研發(fā)，在納米發(fā)電材料領(lǐng)域較為重視多孔固體氧化物燃料電池電解質(zhì)及光伏發(fā)電增強(qiáng)材料的研發(fā)。歐盟重視柔性電池、輕型電存儲(chǔ)及儲(chǔ)氫系統(tǒng)的研發(fā)以及發(fā)展包括滲透能發(fā)電在內(nèi)的新型可再生能源。俄羅斯較為重視太陽(yáng)能電池、重型陶瓷磁鐵及替代能源材料的研發(fā)，英國(guó)將研發(fā)重點(diǎn)放在了鈣鈦礦型電池模塊化上，日本強(qiáng)調(diào)對(duì)高溫超導(dǎo)輸送電的研究，韓國(guó)主要部署了柔性電極、智能窗戶(hù)及隔熱元件等研究方向，澳大利亞較為重視安全動(dòng)力電池和太陽(yáng)能電池的研發(fā)，中國(guó)較為重視熱電材料和長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力電池的研究。
4)器件與制造領(lǐng)域：美國(guó)、俄羅斯和歐盟都將納米傳感器的研發(fā)列為其戰(zhàn)略研究方向，美國(guó)和中國(guó)都很重視芯片的研發(fā)，歐盟和中國(guó)都將柔性智能器件、非易失性存儲(chǔ)器列入研究方向。美國(guó)較為重視軟物質(zhì)制造技術(shù)，俄羅斯較為重視基于憶阻器的電子元件，歐盟較為重視基于石墨烯的集成電路、等離子體光開(kāi)關(guān)及晶體管的研發(fā)，中國(guó)較為重視極低功耗器件和電路、3D打印、硅基太赫茲技術(shù)等。
5)測(cè)量領(lǐng)域：美國(guó)關(guān)注異質(zhì)材料的表征，歐盟重視選擇性單分子探測(cè)，俄羅斯強(qiáng)調(diào)原子分辨率的材料表面成像系統(tǒng)，中國(guó)將重點(diǎn)研發(fā)具有極限分辨能力的表征和測(cè)量技術(shù)。
6)儀器設(shè)備領(lǐng)域：歐盟和韓國(guó)在柔性顯示器方面均有戰(zhàn)略部署。美國(guó)、德國(guó)、歐盟、韓國(guó)、澳大利亞等重視功能探測(cè)器/傳感器(如分子探測(cè)器、光電探測(cè)器、感應(yīng)傳感器)研究。歐盟較為重視利用太赫茲技術(shù)的相關(guān)器件的研發(fā)，德國(guó)則較為重視危險(xiǎn)物質(zhì)探測(cè)和救援人員防護(hù)設(shè)備的研發(fā)，俄羅斯較為重視對(duì)納米機(jī)器人的研究，中國(guó)將納米綠色印刷和納米刻蝕作為重要的研究方向。
7)標(biāo)準(zhǔn)與安全領(lǐng)域：美國(guó)強(qiáng)調(diào)了對(duì)石墨烯的監(jiān)管及其對(duì)基因等的影響，德國(guó)重視應(yīng)用納米技術(shù)時(shí)的必要保護(hù)措施及對(duì)食品材料的創(chuàng)新研究，韓國(guó)提出要研究感染性生物物質(zhì)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，中國(guó)更為重視納米領(lǐng)域應(yīng)用的重要標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)技術(shù)。美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)關(guān)于納米標(biāo)準(zhǔn)與安全領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署均涉及納米材料的生物安全技術(shù)研究。
二 國(guó)際納米研究前沿分析
(一)數(shù)據(jù)、方法論及可視化圖譜
科睿唯安公司Essential Science Indicators(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”。本報(bào)告以ESI數(shù)據(jù)庫(kù)中的11814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和納米研究相關(guān)的研究前沿1391個(gè)，涉及高被引論文6639篇。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。
為了可視化展現(xiàn)納米研究前沿在全領(lǐng)域研究前沿中的分布，本報(bào)告以研究前沿為基本單元，基于文本向量空間相似性計(jì)算了研究前沿間的相似性，然后用OpenOrd布局算法將研究前沿映射到二維空間，得到基于研究前沿的科學(xué)全景圖譜(圖1)。圖譜中的每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)研究前沿，研究前沿的相似度越高則點(diǎn)的距離越近。通過(guò)不同顏色區(qū)分研究前沿中納米領(lǐng)域論文比例的高低。本報(bào)告發(fā)現(xiàn)，一般比例達(dá)到60%以上才能歸為納米領(lǐng)域研究前沿。圖1基本反映了納米研究前沿在全領(lǐng)域研究前沿中的分布情況。
本報(bào)告對(duì)6639篇高被引論文的通訊作者國(guó)別情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示，美國(guó)和中國(guó)分居前兩位，遙遙領(lǐng)先于其他國(guó)家。
國(guó)家納米科學(xué)中心組織專(zhuān)家對(duì)1391個(gè)研究前沿進(jìn)行了命名。本報(bào)告按照“納米制造”“納米能源”“納米生物”“納米測(cè)量”對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，結(jié)果如表2所示，可視化圖譜如圖 2 所示。
本報(bào)告采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法從1391個(gè)納米研究前沿中遴選出熱點(diǎn)前沿41個(gè)和新興前沿37個(gè)(詳見(jiàn)附錄)。熱點(diǎn)前沿的遴選主要考慮前沿的施引文獻(xiàn)數(shù)量。根據(jù)表1中的分類(lèi)，對(duì)每個(gè)類(lèi)(包括“其他”類(lèi))中的研究前沿按照施引文獻(xiàn)總量進(jìn)行排序，提取排在前10%的最具引文影響力的研究前沿，再根據(jù)高被引論文出版年的平均值重新排序，找出那些“最年輕”的研究前沿。每個(gè)類(lèi)分別選出10個(gè)熱點(diǎn)前沿(不足10個(gè)，取全部前10%)，共計(jì)41個(gè)熱點(diǎn)前沿。新興前沿的遴選主要考慮組成前沿的高被引論文的時(shí)效性。首先選取高被引論文平均出版年在2014年1月之后的研究前沿，然后根據(jù)總被引頻次從高到低排序，選取被引頻次在60次以上的研究前沿，共計(jì)37個(gè)新興前沿。
(二)研究前沿分析解讀
本報(bào)告從“納米能源”“納米生物”“納米制造”“納米測(cè)量”四個(gè)大類(lèi)中選擇了“鋰電池”“太陽(yáng)能電池”“納米發(fā)電機(jī)”“納米藥物”“納米檢測(cè)”“納米仿生孔”“納米安全性”“納米催化”和“測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)”9個(gè)前沿研究領(lǐng)域進(jìn)行分析解讀。每個(gè)領(lǐng)域包括若干個(gè)研究前沿。
1 鋰電池
鋰電池領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文413篇，研究?jī)?nèi)容主要圍繞鋰離子電池、聚合物鋰電池、鋰離子電池表征研究等。如表3所示，中國(guó)在該領(lǐng)域的高被引論文數(shù)量最多，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，美國(guó)和新加坡的高被引論文數(shù)量分列第2、3位。
(1)鋰離子電池
a.負(fù)極材料
硅基材料由于具有高化容量、相對(duì)較低的充放電平臺(tái)及儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，是目前負(fù)極材料的研究熱點(diǎn)之一。在該研究方向上，斯坦福大學(xué)崔毅團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)突出，設(shè)計(jì)制備了核殼、空心硅納米球、中空硅納米管、硅納米線陣列等不同結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化了其電化學(xué)性能。美國(guó)西北大學(xué)黃嘉興研究團(tuán)隊(duì)的表現(xiàn)也較為搶眼，其研究聚焦在利用石墨烯改進(jìn)硅基負(fù)極材料的相關(guān)性能。
常溫下，鍺擁有比硅更高的電子電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散率，因此鍺是高功率鋰離子電池負(fù)極材料強(qiáng)有力的候選者。目前，研究人員嘗試制備各種鍺納米結(jié)構(gòu)材料以改進(jìn)其電極性能。韓國(guó)學(xué)者Park等獲得了零維的空心鍺納米顆粒以及三維的多孔鍺納米顆粒，顯示出較好的循環(huán)性能。
金屬錫作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)的理論容量高達(dá)994 mAh/g，但其容量易迅速衰減、循環(huán)性能差。近年來(lái)研究人員開(kāi)發(fā)出一系列納米顆粒、納米管、納米片、納米纖維、多孔結(jié)構(gòu)等多種形貌的錫氧化物的合成與制備方法，顯著改善了其循環(huán)性能和倍率性能。中國(guó)科學(xué)院、南京師范大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等在該研究方向表現(xiàn)較為突出。
二氧化鈦是有望替代石墨電極的鋰離子電池理想負(fù)極材料。近年來(lái)，研究人員圍繞不同形貌納米結(jié)構(gòu)的TiO2負(fù)極材料進(jìn)行了大量的研究工作。新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文研究團(tuán)隊(duì)在該方向表現(xiàn)突出，通過(guò)將TiO2和高導(dǎo)電性的石墨烯復(fù)合，獲得了具有較高的可逆比容量、優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能的復(fù)合材料。復(fù)旦大學(xué)、中科院金屬所、上海交通大學(xué)等均在該方向也取得了若干突破。
氧化鐵由于其理論容量高、資源豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)吸引了研究人員的極大關(guān)注。新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文研究團(tuán)隊(duì)對(duì)α-Fe2O3應(yīng)用于鋰電池負(fù)極材料進(jìn)行了大量研究，團(tuán)隊(duì)制備的α-Fe2O3納米管、α-Fe2O3納米盤(pán)，其中空和多孔的結(jié)構(gòu)一方面增加了儲(chǔ)鋰空間，提高了嵌鋰容量，另一方面對(duì)充放電過(guò)程中電極材料的體積變化均有緩解作用，從而顯示出較優(yōu)異的電化學(xué)性能。
其他獲得了較多研究的可用作鋰離子電池負(fù)極材料的金屬氧化物還包括氧化鉬、銅氧化物、氧化鈷、氧化錳等。研究人員通過(guò)制備納米結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物、與導(dǎo)電聚合物復(fù)合、與金屬?gòu)?fù)合等改善電極材料的電化學(xué)性能。浙江大學(xué)涂江平教授團(tuán)隊(duì)、新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文團(tuán)隊(duì)、中科院物理所李泓研究員團(tuán)隊(duì)等均發(fā)表了多篇高被引研究論文。
石墨烯具有很高的楊氏模量和斷裂強(qiáng)度，同時(shí)還具有很高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、優(yōu)異的電化學(xué)性能以及易功能化的表面，這些特點(diǎn)都使石墨烯成為鋰離子電池負(fù)極材料的首先研究材料。中國(guó)在該領(lǐng)域表現(xiàn)突出，主要研究機(jī)構(gòu)有南開(kāi)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中科院化學(xué)所、國(guó)家納米科學(xué)中心、中科院上海硅酸鹽所、上海大學(xué)、浙江大學(xué)等。國(guó)外方面，美國(guó)西北大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)、澳大利亞臥龍崗大學(xué)等也在該研究領(lǐng)域表現(xiàn)活躍。
二維MoS2納米片作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)顯示了較高的電化學(xué)儲(chǔ)鋰容量和較好的循環(huán)性能。中國(guó)研究人員在該領(lǐng)域較為活躍，浙江大學(xué)陳衛(wèi)祥教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種手段制備了MoS2/石墨烯復(fù)合材料并用作鋰離子電池負(fù)極材料，不僅具有較高的可逆容量，而且其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能也十分優(yōu)異。
b.正極材料
最具代表性的正極材料LiFePO4是目前鋰離子電池正極材料研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，研究人員致力于研究利用碳包覆、導(dǎo)電金屬離子包覆、金屬離子摻雜和電極材料納米化等方法提高LiFePO4的性能。改性后LiFePO4的放電容量、高倍率放電性能、循環(huán)性能均獲得了不同程度的提升。中國(guó)科學(xué)院、復(fù)旦大學(xué)、中南大學(xué)等國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域表現(xiàn)活躍。
c.隔膜材料
該方向的高倍引論文集中在系統(tǒng)研究包含二氧化硅、三氧化二鋁涂層的聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等新型鋰離子電池隔膜材料對(duì)鋰離子電池的容量、循環(huán)性能和倍率放電性能的影響方面。韓國(guó)在該研究方向表現(xiàn)較為突出。
d.機(jī)理研究
隨著鋰離子電池研究的日益興起，對(duì)鋰離子電池電極材料機(jī)理的探索也愈發(fā)受到關(guān)注和重視。美國(guó)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))研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域的表現(xiàn)較為突出。浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等在該領(lǐng)域也發(fā)表了多篇高被引論文，但多為合作研究。
e.柔性鋰離子電池
中科院金屬所、半導(dǎo)體所、中國(guó)科技大學(xué)、北京大學(xué)、中南大學(xué)、中山大學(xué)等在該方向的研究主要聚焦在利用石墨烯泡沫為集流體裝載氧化鐵和鈦酸鋰等材料改進(jìn)柔性鋰離子電池的性能以及開(kāi)發(fā)基于碳納米管的柔性電極材料等。
(2)鋰硫電池
鋰硫電池具有巨大理論容量和能量密度優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在室溫下的電導(dǎo)率極低、充放電過(guò)程中正極硫材料容易流失等技術(shù)瓶頸。清華大學(xué)張強(qiáng)教授研究團(tuán)隊(duì)在鋰硫電池領(lǐng)域表現(xiàn)最為突出，提出具有自分散特性的石墨烯-碳納米管雜化物、柱撐石墨烯等納米碳材料擔(dān)載活性材料，進(jìn)而獲得高面容量的高效正極。加拿大滑鐵盧大學(xué)Nazar團(tuán)隊(duì)、斯坦福大學(xué)崔毅團(tuán)隊(duì)、德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校Manthiram團(tuán)隊(duì)較為活躍。
(3)鋰空氣電池
鋰空氣電池的能量密度預(yù)計(jì)高達(dá)600 Wh/kg，但面臨穩(wěn)定性、效率、實(shí)用性和安全性等挑戰(zhàn)。麻省理工學(xué)院Yang S. H.研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)化學(xué)氣相沉積過(guò)程為存儲(chǔ)固體氧化鋰提供了更多孔隙，因此提升了鋰空氣電池的能量密度;開(kāi)發(fā)出Au-Pt合金納米催化劑，將鋰空氣電池的充放電效率提升至77%。
2 太陽(yáng)能電池
太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文516篇，研究?jī)?nèi)容主要圍繞量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池等。如表4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。韓國(guó)、英國(guó)在高被引論文數(shù)量方面處于第二梯隊(duì)，與美國(guó)和中國(guó)相比有明顯差距。
太陽(yáng)能電池按照制作材料和發(fā)展歷程可以分成三代：第一代太陽(yáng)能電池主要是單晶硅和多晶硅的硅基太陽(yáng)能電池;第二代太陽(yáng)能電池主要是非晶硅和多元化合物的薄膜太陽(yáng)能電池，如GaAs、CdS、CdTe、銅銦鎵硒等材料;第三代太陽(yáng)能電池同時(shí)具有綠色環(huán)保、成本低廉、轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)，主要包括有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池、量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等。
(1)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池
量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(QDSCs)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 E. H.研究小組、美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室Nozik A. J.研究小組以及華東理工大學(xué)鐘新華教授團(tuán)隊(duì)在該方面較為突出。2012年，Sargent小組實(shí)現(xiàn)了迄今為止紅外量子點(diǎn)電池的最高能量轉(zhuǎn)化效率7%。2013年，華東理工大學(xué)鐘新華課題組合成了基于CdSeTe的量子點(diǎn)，獲得了高達(dá)6.36%的光電轉(zhuǎn)換效率。2015年，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)TiO2/CdSeTe表面依次沉積ZnS和SiO2，獲得8.21%的認(rèn)證效率。
(2)有機(jī)太陽(yáng)能電池
a.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
2013年以來(lái)，以鈣鈦礦相有機(jī)金屬鹵化物(CH3NH3PbX3(X = Cl、Br、I))作為吸光材料的薄膜太陽(yáng)電池(簡(jiǎn)稱(chēng)鈣鈦礦太陽(yáng)電池，PSCs)因其兼具較高的光電轉(zhuǎn)換效率和潛在極低的制備成本等優(yōu)點(diǎn)引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注?PSCs光電轉(zhuǎn)化效率的快速提高使得PSCs被Science評(píng)為2013年十大科學(xué)突破之一?
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Gr?tzel M、牛津大學(xué)Snaith, H. J.、韓國(guó)成均館大學(xué)Park N. G.等研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得了一系列重大成果，目前在PSCs研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。2011年韓國(guó)成均館大學(xué)Park課題組優(yōu)化了TiO2表面和鈣鈦礦的制作工藝，將PSCs效率提高到6.5%?2012年牛津大學(xué)Snaith課題組提出了“介孔超結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池”的概念，使PSCs效率首次達(dá)到10.9%?2013年，Gr?tzel課題組和牛津大學(xué)Snaith課題組將PSCs效率提高到15%和15.4%?年僅30余歲的牛津大學(xué)青年科學(xué)家Snaith也因此被Nature評(píng)為2013年十大科學(xué)人物之一。和英國(guó)、瑞士、韓國(guó)等相比，中國(guó)在該研究方向的高被引論文相對(duì)較少。
b.染料敏化太陽(yáng)能電池
20世紀(jì)60年代，德國(guó)科學(xué)家Tributseh等首次發(fā)現(xiàn)了染料吸附在半導(dǎo)體上在一定條件下能產(chǎn)生電流，成為染料敏化太陽(yáng)能電池的重要基礎(chǔ)。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Gr?tzel M為染料敏化太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的發(fā)展做出了一系列重要貢獻(xiàn)。2011年，Gr?tzel等制備出光電效率為12.3%的電池;2014年，課題組再次刷新染料敏化太陽(yáng)能電池效率，達(dá)13%。除此之外，Gr?tzel研究團(tuán)隊(duì)在染料光敏化劑、電極等方面也取得了一系列重大成果。中國(guó)研究人員在該領(lǐng)域也有突出表現(xiàn)，代表性的研究團(tuán)隊(duì)包括中國(guó)海洋大學(xué)唐群委團(tuán)隊(duì)、中山大學(xué)匡代彬團(tuán)隊(duì)、中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所王鵬團(tuán)隊(duì)、大連理工大學(xué)馬廷麗團(tuán)隊(duì)等。唐群委研究團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)電聚合物方面做了很多有意義的工作，采用基于高氯酸摻雜的聚苯胺納米顆粒制成染料敏化太陽(yáng)能電池用對(duì)電極，獲得了大于7%的光電轉(zhuǎn)化效率?？锎蜓芯繄F(tuán)隊(duì)在特殊形貌TiO2在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用以及光電極研究方向取得了一系列成果。2009年，王鵬課題組率先研制出轉(zhuǎn)化效率達(dá)9.8%的染料敏化太陽(yáng)能電池。
c.聚合物太陽(yáng)能電池
與硅基太陽(yáng)能電池相比，聚合物太陽(yáng)能電池具有器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可低成本大規(guī)模制備等突出優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)受體情況，聚合物太陽(yáng)能電池可以劃分為基于富勒烯受體的聚合物太陽(yáng)能電池、基于非富勒烯小分子受體的聚合物太陽(yáng)能電池、全聚合物太陽(yáng)能電池等。
基于富勒烯的聚合物太陽(yáng)能電池的研究主要集中在以受體材料C60衍生物PCBM和給體材料導(dǎo)電聚合物聚己基噻吩(P3HT)混合作為光活性層而形成的體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院、美國(guó)能源部、加州大學(xué)系統(tǒng)、斯坦福大學(xué)、中科院化學(xué)所李永舫院士等在該研究方向表現(xiàn)活躍。
發(fā)展高性能的非富勒烯受體是有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性難題。中國(guó)和美國(guó)是非富勒烯聚合物電池研究方向的主要研究國(guó)家。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，取得了一系列重大突破。2015年，該課題組報(bào)道了效率高達(dá)6.8%的非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池。2016年，該團(tuán)隊(duì)報(bào)道的電池效率達(dá)9.6%，刷新了世界最高效率。中科院化學(xué)所侯建輝團(tuán)隊(duì)也是該研究方向最為活躍的研究團(tuán)隊(duì)之一。2016年，該研究團(tuán)隊(duì)在小面積非富勒烯型聚合物太陽(yáng)能電池器件(13 mm2)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)到了富勒烯受體的最好水平。
在全聚合物太陽(yáng)能電池方面，中科院化學(xué)所李永舫團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)活躍。2015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%。
除上述外，2016年，南開(kāi)大學(xué)陳永勝研究團(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。
(3)無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池
a.表面等離激元(surface plasmon)增強(qiáng)太陽(yáng)能電池
加州理工學(xué)院Atwater H. A.研究團(tuán)隊(duì)是該研究方向的主要開(kāi)拓者。2010年，Atwater H. A.等指出在保證活性層厚度不增加的情況下等離激元納米結(jié)構(gòu)存在三種有效提高活性層吸收的光捕獲策略?；谏鲜龉獠东@策略，表面等離激元太陽(yáng)能電池己取得了很大進(jìn)展，短路電流密度、功率轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)均實(shí)現(xiàn)了大幅提升。
b.化合物薄膜太陽(yáng)能電池
薄膜太陽(yáng)能電池的種類(lèi)較多，主要類(lèi)型包括碲化鎘、砷化鎵、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)、銅鋅錫硫(CZTS)等薄膜太陽(yáng)能電池。2010年，德國(guó)太陽(yáng)能和氫能研究中心研究的銅銦鎵硒(CIGS)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到20.3%。2011年，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室研制的小面積GaAs薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了28.3%的光電轉(zhuǎn)換效率。在該研究方向，美國(guó)的研究實(shí)力較為突出，知名研究機(jī)構(gòu)包括加州大學(xué)系統(tǒng)、IBM公司、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等;中國(guó)科學(xué)院、香港中文大學(xué)、華東師范大學(xué)等國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)也表現(xiàn)活躍。
3 納米發(fā)電機(jī)
納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文有32篇，研究?jī)?nèi)容主要分布在摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)兩個(gè)研究方向。如表5所示，該領(lǐng)域的高被引論文基本都來(lái)自美國(guó)，其中25篇來(lái)自美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)王中林院士。
發(fā)電機(jī)原理主要有電磁、壓電、熱電和靜電四種類(lèi)型。納米發(fā)電機(jī)主要采用壓電和靜電(即摩擦)兩條技術(shù)路線。在納米發(fā)電機(jī)發(fā)展過(guò)程中，王中林院士做出了重要開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。2006年，王中林課題組首次報(bào)道了壓電納米發(fā)電機(jī)，利用壓電極化電荷和所產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的電場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電子在電路中的流動(dòng)。2012年，王中林課題組首次報(bào)道了摩擦納米發(fā)電機(jī)，利用兩種不同材料接觸所產(chǎn)生的表面靜電荷所導(dǎo)致的隨時(shí)間變化的電場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)電子的流動(dòng)。迄今為止，摩擦納米發(fā)電機(jī)已發(fā)展至四種工作模式(垂直接觸-分離、水平滑動(dòng)、單電極、獨(dú)立層)，輸出功率密度從每平方米3.67毫瓦飆升至300多瓦，可將日常環(huán)境中的各種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，作為微納電源為微小型設(shè)備供電，作為自驅(qū)動(dòng)傳感器用于健康監(jiān)測(cè)、生物傳感、人機(jī)交互等。最近，王中林課題組致力于將摩擦納米發(fā)電機(jī)用于收集海洋能，并首次用于設(shè)備儀器(質(zhì)譜儀)中。除了應(yīng)用研究，王中林院士還論證了納米發(fā)電機(jī)的理論源頭來(lái)自于麥克斯韋的位移電流的第二項(xiàng)，并由此推導(dǎo)出壓電納米發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)的基本輸運(yùn)方程。
壓電納米發(fā)電機(jī)雖然發(fā)明較早，但過(guò)低的輸出電流限制了其發(fā)展和應(yīng)用。核心材料從最初的ZnO納米線，正在朝BaTiO3、PZT等鈣鈦礦型材料、PVDF聚合物材料、MoS2等二維材料等方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)既有一維納米線、納米纖維，也有二維平面薄膜。
4 納米藥物
納米藥物領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文488篇，研究?jī)?nèi)容主要圍繞納米藥物載體與藥物遞送、腫瘤治療納米藥物、抗菌治療納米藥物等。如表6所示，在高被引論文數(shù)量方面，美國(guó)最多，中國(guó)排名第二，美國(guó)和中國(guó)的表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他國(guó)家。
近年來(lái)，納米材料和納米技術(shù)越來(lái)越多地進(jìn)入到臨床應(yīng)用階段。經(jīng)臨床實(shí)踐證實(shí)，根據(jù)納米材料對(duì)腫瘤細(xì)胞和腫瘤組織靶向性的特性設(shè)計(jì)出的納米藥物能明顯改善腫瘤治療。其中，腫瘤光熱治療技術(shù)作為一種新型的治療策略，已經(jīng)在腫瘤治療方面引起了高度關(guān)注。早期的光熱治療主要通過(guò)高熱量來(lái)直接破壞、消除腫瘤細(xì)胞。近年來(lái)很多研究者發(fā)現(xiàn)這些納米材料產(chǎn)生的熱除具有直接殺傷腫瘤細(xì)胞的作用外，還可通過(guò)抑制腫瘤轉(zhuǎn)移、克服化療耐藥從而發(fā)揮抗腫瘤作用。目前研究較多的光熱材料以金納米材料為主，研究?jī)?nèi)容主要圍繞金納米棒、金納米籠等金納米材料的腫瘤光熱治療，及光聲成像-光控釋放-光熱治療化療等納米金多手段多功能的診療一體化研究。2008年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院El-Sayed MA團(tuán)隊(duì)利用金納米棒對(duì)小鼠鱗狀上皮細(xì)胞癌進(jìn)行等離激元光熱治療，論文被引521次。2012年，國(guó)家納米科學(xué)中心陳春英和吳曉春團(tuán)隊(duì)把介孔二氧化硅包被的金納米棒用于腫瘤的成像、化療和熱療，論文被引395次。其他知名機(jī)構(gòu)包括美國(guó)德克薩斯大學(xué)安德森癌癥中心、美國(guó)華盛頓大學(xué)以及我國(guó)東華大學(xué)、蘇州大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和南京大學(xué)等。
納米藥物載體與藥物遞送方向近年發(fā)展迅速。主要用于藥物載體的納米材料包括納米脂質(zhì)體、聚合物膠束、納米囊和納米球、納米磁性顆粒、介孔二氧化硅納米粒等。氧化石墨烯具有良好的生物相容性、易于表面功能化，其巨大的比表面使它具有超高載藥率。2008年美國(guó)斯坦福大學(xué)戴宏杰教授團(tuán)隊(duì)率先報(bào)道了利用氧化石墨烯作為難溶性含芳香結(jié)構(gòu)抗癌藥物的載體，其具有良好的水溶性，可用于難溶性藥物的增溶，并可有效殺傷腫瘤細(xì)胞。兩篇相關(guān)論文分別被引用達(dá)1789和1533次。其中介孔二氧化硅因多孔性、比表面積大、便于修飾性、毒性低等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，具有極大的發(fā)展前景。相關(guān)核心論文主要圍繞介孔二氧化硅的合成、特性及癌癥治療等生物醫(yī)藥應(yīng)用。主要研究團(tuán)隊(duì)包括美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校Zink Jeffrey I.和Nel Andre E.團(tuán)隊(duì)、美國(guó)西北大學(xué)Stoddart J. Fraser團(tuán)隊(duì)、中科院理化所唐芳瓊團(tuán)隊(duì)、芬蘭埃博學(xué)術(shù)大學(xué)Sahlgren Cecilia團(tuán)隊(duì)、美國(guó)新澤西州立大學(xué)Minko Tamara團(tuán)隊(duì)、美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)Vivero-Escoto Juan L.團(tuán)隊(duì)、福州大學(xué)楊黃浩團(tuán)隊(duì)、新加坡南洋理工大學(xué)Zhang Quan和Zhao Yanli團(tuán)隊(duì)等。其中Nel Andre E.團(tuán)隊(duì)關(guān)于siRNA修飾的負(fù)載抗癌藥物的介孔二氧化硅納米輸運(yùn)體系以克服腫瘤多重耐藥性的研究被引用455次。
脂質(zhì)體近年來(lái)也是給藥系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，已經(jīng)在許多方面顯示出其潛在的應(yīng)用價(jià)值，知名研究機(jī)構(gòu)包括美國(guó)哈佛大學(xué)、美國(guó)德州大學(xué)奧斯丁分校、澳大利亞哥廷理工大學(xué)以及我國(guó)南京大學(xué)等。
5 納米檢測(cè)
納米生物和醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文325篇，研究?jī)?nèi)容主要圍繞量子點(diǎn)、貴金屬納米簇、上轉(zhuǎn)換材料等納米探針技術(shù)以及納米生物傳感器。如表7所示，在高被引論文數(shù)量方面，美國(guó)最多，中國(guó)排名第二，美國(guó)和中國(guó)的表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他國(guó)家。
納米生物和醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)主要集中在用于分子影像診斷的納米探針技術(shù)。納米探針具有影像信號(hào)強(qiáng)度大、靶向效果好、代謝動(dòng)力學(xué)可控等顯著的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，基于貴金屬納米材料(金、銀等納米顆粒)、量子點(diǎn)、上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒的熒光納米探針迅速發(fā)展，成為納米生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。
在貴金屬納米簇納米探針研究方向上，高被引論文主要研究以核苷酸作為保護(hù)模板合成熒光銀納米簇探針，以增加其穩(wěn)定性，并將其用于核苷酸、汞離子及蛋白等的生物檢測(cè)。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院Dickson Robert M.團(tuán)隊(duì)、美國(guó)阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Martinez Jennifer S.團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所汪爾康院士團(tuán)隊(duì)在該研究方向較為突出。
在量子點(diǎn)納米探針研究方向上，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室生物分子科學(xué)工程中心Mattoussi Hedi、Medintz Igor L.團(tuán)隊(duì)的高被引論文主要研究量子點(diǎn)共振能量轉(zhuǎn)移，斯坦福大學(xué)戴宏杰團(tuán)隊(duì)和中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王強(qiáng)斌團(tuán)隊(duì)的高被引論文主要研究Ag2S量子點(diǎn)應(yīng)用于近紅外影像，福州大學(xué)池毓務(wù)團(tuán)隊(duì)的高被引論文主要研究功能化碳量子點(diǎn)，南開(kāi)大學(xué)嚴(yán)秀平團(tuán)隊(duì)的高被引論文主要研究ZnS量子點(diǎn)。
在納米生物傳感器研究方向上，斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊(duì)、加州大學(xué)伯克利分校Javey Ali團(tuán)隊(duì)、首爾大學(xué)Pang Changhyun團(tuán)隊(duì)、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽團(tuán)隊(duì)等主要研究用于電子皮膚壓力傳感的生物傳感器，美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室林躍河團(tuán)隊(duì)、康涅狄格大學(xué)Rusling James F團(tuán)隊(duì)、中國(guó)西南大學(xué)袁若團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)李景虹團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)朱俊杰團(tuán)隊(duì)等主要研究免疫生物傳感器。
6 仿生納米孔
仿生納米孔道領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文45篇，研究?jī)?nèi)容主要集中在利用納米孔進(jìn)行生物大分子分析識(shí)別的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。如表8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)了總數(shù)的一半;英國(guó)和德國(guó)分別有8篇和4篇高被引論文，分列2、3位;中國(guó)只有1篇高被引論文。
上世紀(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)。開(kāi)發(fā)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。
生物納米孔利用天然生物學(xué)通道，如α-溶血素結(jié)構(gòu)和恥垢分支桿菌孔蛋白A(MspA)等。牛津納米孔技術(shù)(Oxford Nanpore)公司Bayley Hagan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，該公司發(fā)表論文《單分子納米孔DNA連續(xù)堿基測(cè)序》，實(shí)現(xiàn)了堿基連續(xù)測(cè)定，準(zhǔn)確度平均為99.8%。該文被引用677次，是本領(lǐng)域被引頻次最高的論文。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。
2010年，美國(guó)華盛頓大學(xué)的Jens Gundlach首次證明，恥垢分支桿菌孔蛋白A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。2012年，該團(tuán)隊(duì)又一次利用MspA和噬菌體Phi29聚合酶相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單核苷酸的分辨率和DNA易位控制，該成果推動(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。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聚合酶相結(jié)合，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)實(shí)時(shí)單核苷酸分辨率的檢測(cè)。
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)序的需求。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、具有低成本、高讀長(zhǎng)、易集成等的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代納米孔技術(shù)。固態(tài)納米孔的材料主要是石墨烯、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。哈佛大學(xué)Jene Golovchenko團(tuán)隊(duì)和美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員2010年在nature上發(fā)表論文證實(shí)石墨烯可以制成人工膜材料進(jìn)行DNA測(cè)序，指引了石墨烯納米孔DNA檢測(cè)的方向。哈佛大學(xué)Jene Golovchenko團(tuán)隊(duì)制備了與DNA分子的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。荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)科維理納米科學(xué)研究所的Dekker, C團(tuán)隊(duì)將石墨烯薄片放置在氮化硅膜的微孔上并使用電子束在石墨烯中鉆出納米尺寸的孔來(lái)獲得納米孔。在其他仿生納米孔材料方面，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的研究人員利用氮化硅修飾納米孔，阿根廷拉普拉塔國(guó)立大學(xué)的研究人員利用聚(4-乙烯基吡啶)大分子構(gòu)建塊修飾固態(tài)納米孔，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員將亞納米厚度的單層或幾層厚的剝離的二硫化鉬(MoS2)固定在氮化硅納米孔上，均可以改善DNA的分析。
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的分析。如牛津大學(xué)Bayley Hagan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)科維理納米科學(xué)研究所的Dekker, C團(tuán)隊(duì)等利用生物納米孔開(kāi)展蛋白檢測(cè)，研究的重點(diǎn)是蛋白質(zhì)解折疊和易位問(wèn)題。此外，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Drndic, M 和Wanunu, M團(tuán)隊(duì)利用薄的納米孔快速檢測(cè)小RNA分子。英國(guó)東英吉利大學(xué)利用牛津納米孔技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的MinION納米孔平臺(tái)測(cè)序鑒定細(xì)菌抗生素抗性島的位置和結(jié)構(gòu)。
7 納米安全性
納米安全性領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文157篇，研究?jī)?nèi)容主要圍繞納米物質(zhì)和生物體及環(huán)境的相互作用，著重研究納米物質(zhì)的物理化學(xué)特性等與生物學(xué)毒性效應(yīng)之間的關(guān)系。如表9所示，美國(guó)在該領(lǐng)域的高被引論文數(shù)量最多，有59篇，明顯高于其他國(guó)家;中國(guó)在該領(lǐng)域的高被引論文數(shù)量排在第2位，有25篇。
碳納米管、介孔二氧化硅、石墨烯等納米材料在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、納米藥物遞送、納米治療等方面開(kāi)辟了新的應(yīng)用途徑。同時(shí)，關(guān)于其生物安全性、毒性的研究也逐漸引起關(guān)注。該領(lǐng)域研究前沿的高被引論文的主要分為兩個(gè)研究方向：納米材料對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)研究和納米材料的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究。健康風(fēng)險(xiǎn)研究主要圍繞肺毒性、皮膚毒性、細(xì)胞毒性、生物相容性等，關(guān)注的主要納米物質(zhì)包括碳納米管、納米鋅、納米銀、石墨烯、介孔納米二氧化硅、納米二氧化鈦和納米金等。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究主要圍繞環(huán)境釋放、環(huán)境歸趨、生態(tài)毒理學(xué)、生物降解、植物吸收等。
納米銀的毒性作用研究包括納米銀顆粒的細(xì)胞毒性、遺傳毒性、發(fā)育毒性、炎癥反應(yīng)及毒性作用機(jī)制，納米銀在生物體內(nèi)的分布動(dòng)力學(xué)，納米銀對(duì)癌細(xì)胞系增殖和凋亡的影響等。新加坡國(guó)立大學(xué)Valiyaveettil S教授團(tuán)隊(duì)2009年發(fā)表的論文《銀納米粒子對(duì)人體細(xì)胞的細(xì)胞毒性和遺傳毒性》被引用1153次。此外，韓國(guó)環(huán)境及商品檢測(cè)研究所、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、荷蘭國(guó)家公共衛(wèi)生和環(huán)境研究院等研究機(jī)構(gòu)也有高被引論文貢獻(xiàn)。
碳納米管的安全性研究包括單壁/多壁碳納米管的生物相容性、體內(nèi)分布循環(huán)、細(xì)胞內(nèi)吞、慢性毒性、間皮損傷和致癌性、毒性的影響因素(如長(zhǎng)度、尺寸依賴(lài)性)等。2008年，蘇格蘭愛(ài)丁堡大學(xué)Donaldson K團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)石棉狀長(zhǎng)碳納米管可能導(dǎo)致小鼠產(chǎn)生一種以往由石棉引起的惡性間皮瘤，該論文被引用1329次。此外，美國(guó)斯坦福大學(xué)、麻省理工大學(xué)和美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所、德國(guó)巴斯夫公司和拜耳公司、我國(guó)北京大學(xué)等也有高被引論文貢獻(xiàn)。
介孔二氧化硅材料的生物安全性研究包括介孔二氧化硅納米材料的生物相容性、生物分布、細(xì)胞毒性和溶血活性的影響因素(如尺寸、形狀、表面效應(yīng))等，中科院理化所唐芳瓊團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)較為突出。
納米金顆粒的體內(nèi)分布研究主要集中在金納米顆粒在生物體內(nèi)的分布、累積及粒徑和表面電荷等影響因素研究，主要研究機(jī)構(gòu)包括德國(guó)環(huán)境健康研究中心等。
納米材料釋放進(jìn)入環(huán)境的估算與環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究包括納米材料在環(huán)境多介質(zhì)中的分布、在環(huán)境中的排放、歸趨建模等，主要研究機(jī)構(gòu)包括瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等。
氧化石墨烯的毒性作用及安全性評(píng)價(jià)研究集中在氧化石墨烯的毒性作用與生物安全性研究方面，來(lái)自中國(guó)和美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)比較活躍。
8 納米催化
納米催化領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文303篇，研究?jī)?nèi)容圍繞納米催化劑的制備和應(yīng)用展開(kāi)。如表10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。
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(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活性的重要因素。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，盡量減少貴金屬的使用，用儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉的普通金屬或者非金屬材料替代貴金屬。常用的載體包括氧化物(SiO2、TiO2、Fe3O4等)、碳基材料(石墨烯、碳納米管、石墨相C3N4等)、多孔材料(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，孔道的限域可以起到擇形催化作用。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院士團(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。
納米催化的反應(yīng)類(lèi)型大致分為傳統(tǒng)催化、電催化和光催化三類(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院士團(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。包信和院士團(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。中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院和上?？萍即髮W(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(250 oC、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。
在電催化中，燃料電池和金屬-空氣電池的陰極氧還原反應(yīng)是研究重點(diǎn)之一。鉑是重要的氧還原反應(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的用量方向發(fā)展，采用二元或三元合金的形式，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(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(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，文章被引次數(shù)超過(guò)1900次。二氧化碳的轉(zhuǎn)化也是研究熱點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)謝毅院士團(tuán)隊(duì)采用新型鈷基電催化劑，將二氧化碳高效清潔轉(zhuǎn)化為液體燃料，得到國(guó)際同行高度評(píng)價(jià)。
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。二氧化碳還原制甲烷、甲醇等碳?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光解水制氫催化劑很受高度關(guān)注，文章被引次數(shù)超過(guò)1000次。
9 測(cè)量表征
納米測(cè)量表征技術(shù)主要是指納米尺度和精度的測(cè)量技術(shù)。近十幾年來(lái)，隨著測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，至今已經(jīng)出現(xiàn)了多種可以實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的技術(shù)和儀器。近期納米級(jí)測(cè)量技術(shù)主要有兩個(gè)發(fā)展方向，即光干涉測(cè)量技術(shù)和掃描顯微測(cè)量技術(shù)。
納米測(cè)量表征領(lǐng)域的研究前沿共涉及高被引論文153篇，研究?jī)?nèi)容包括光譜測(cè)量研究、電子顯微測(cè)量研究以及利用多種表征手段研究納米材料的表面/界面等。如表11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、3位，中國(guó)在高被引論述數(shù)量方面與美國(guó)相比有明顯差距。
(1)光譜測(cè)量研究
a.超分辨成像
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)約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 W. Hell發(fā)明的受激輻射耗盡(STED)顯微鏡為代表，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)，光活化定位顯微術(shù)(PALM)技術(shù)、隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微術(shù)(STORM)技術(shù)、熒光活化定位顯微術(shù)(fPALM)技術(shù)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。
b.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(NV)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。此外，哈佛大學(xué)Yacoby研究團(tuán)隊(duì)、Walsworth研究團(tuán)隊(duì)，中國(guó)科技大學(xué)杜江峰研究團(tuán)隊(duì)均是該方向中最為活躍的研究團(tuán)隊(duì)。2008年以來(lái)，杜江峰研究團(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。
c.表面等離激元共振(SPR)
光(或電磁波)與金屬納米粒子相互作用能夠在納米尺度范圍聚焦很強(qiáng)的電磁能量，突破傳統(tǒng)光學(xué)中的衍射極限，即表面等離激元共振(SPR)現(xiàn)象。該方向的研究主要集中在氧化鎢、硫化銅、硒化銅、金納米顆粒、多種膠體納米顆粒的表面等離激元共振和局域表面等離激元共振性質(zhì)研究以及基于表面等離激元光鑷系統(tǒng)對(duì)金屬納米顆粒和生物分子的穩(wěn)定捕獲和動(dòng)態(tài)操控能力研究等。
d.表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)
當(dāng)分子接近或吸附在貴金屬納米材料表面時(shí)，其拉曼信號(hào)能被放大多個(gè)數(shù)量級(jí)，因此近年來(lái)表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)作為一種快速、靈敏的檢測(cè)技術(shù)已獲得廣泛認(rèn)可。該方向的研究主要聚焦在基于納米材料(主要是金納米粒子)的拉曼基底的研發(fā)以及SERS在生物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)杜克大學(xué)和西班牙維戈大學(xué)在該方向研究較為活躍。
(2)電子顯微測(cè)量研究
原位透射電子顯微鏡(in situ TEM)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)。該方向的研究聚焦在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。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))研究團(tuán)隊(duì)在該研究方向非?；钴S。黃建宇等人首次實(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。此外，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Liu Xiao Hua團(tuán)隊(duì)、佐治亞理工朱廷研究團(tuán)隊(duì)等也是該領(lǐng)域中的重要研究隊(duì)伍。
三 總結(jié)
本報(bào)告通過(guò)納米領(lǐng)域各國(guó)發(fā)展規(guī)劃調(diào)研和文獻(xiàn)計(jì)量分析，結(jié)合領(lǐng)域情報(bào)人員的研究，得出以下發(fā)現(xiàn)。
1.通過(guò)對(duì)比分析美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、歐盟、日本、韓國(guó)、印度、澳大利亞以及我國(guó)的納米技術(shù)研發(fā)計(jì)劃，發(fā)現(xiàn)各國(guó)規(guī)劃具有以下共同之處：(1)對(duì)納米技術(shù)的信心普遍增強(qiáng)，投資力度普遍加大，核心科研人員數(shù)量和相關(guān)企業(yè)數(shù)均大幅增加;(2)將納米技術(shù)列入促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和解決關(guān)鍵問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，在能源和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域尤其受到重視;(3)研發(fā)重心由最初單一的納米材料制備和功能調(diào)控轉(zhuǎn)向納米材料的應(yīng)用和商業(yè)化，納米技術(shù)的研究走向了新的階段;(4)通過(guò)公共研發(fā)平臺(tái)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)等方式，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作及與其他領(lǐng)域的融合，縮短從“提案”到“產(chǎn)業(yè)化”的時(shí)間;(5)開(kāi)展EHS(環(huán)境、健康、安全)和ELSI(倫理、限制、社會(huì)課題)研究以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范(ISO、IEC)的制定，促進(jìn)納米技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)被社會(huì)接受;(6)重視納米技術(shù)的基礎(chǔ)教育和高等教育。
2.基于科睿唯安公司Essential Science Indicators(ESI)數(shù)據(jù)庫(kù)中的11814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1391個(gè)，涉及高被引論文6639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。綜合考慮論文的被引用情況和發(fā)表時(shí)間，從1391個(gè)納米研究前沿中遴選出41個(gè)熱點(diǎn)前沿和37個(gè)新興前沿。
3.選擇了“鋰電池”“太陽(yáng)能電池”“納米發(fā)電機(jī)”“納米藥物”“納米檢測(cè)”“納米仿生孔”“納米安全性”“納米催化”和“測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)”9個(gè)前沿研究領(lǐng)域進(jìn)行分析解讀(每個(gè)研究領(lǐng)域包括若干研究前沿)。在高被引論文數(shù)量方面，美國(guó)在“太陽(yáng)能電池”“納米發(fā)電機(jī)”“納米藥物”“納米檢測(cè)”“納米仿生孔”“納米安全性”和“測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)”7個(gè)研究領(lǐng)域中排名第一，在“鋰電池”和“納米催化”中排名第二。我國(guó)在“鋰電池”和“納米催化”2個(gè)研究領(lǐng)域中排名第一，在“太陽(yáng)能電池”“納米發(fā)電機(jī)”“納米藥物”“納米檢測(cè)”“納米安全性”5個(gè)研究領(lǐng)域中排名第二，在“測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)”中排名第四，在“納米仿生孔”中未進(jìn)入前五。
4.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，(1)太陽(yáng)能電池：中科院化學(xué)所侯建輝研究員團(tuán)隊(duì)2016年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)到了富勒烯受體的最好水平;南開(kāi)大學(xué)陳永勝教授團(tuán)隊(duì)2016年創(chuàng)造了文獻(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12.7%;華東理工大學(xué)鐘新華教授團(tuán)隊(duì)2016年創(chuàng)造了量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池11.6%的效率紀(jì)錄;此外北京大學(xué)占肖衛(wèi)教授團(tuán)隊(duì)、中科院化學(xué)所李永舫院士團(tuán)隊(duì)等也非常突出;(2)C1化學(xué)：中科院大連化物所包信和院士團(tuán)隊(duì)成功實(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;包信和院士團(tuán)隊(duì)還將煤氣化產(chǎn)生的合成氣高選擇性地直接轉(zhuǎn)化為低碳烯烴;中科院上海高等研究院和上?？萍即髮W(xué)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了溫和條件下合成氣高選擇性直接制備烯烴。
