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研究发展报告:材料科学和技术(四)

表6列出了自2004年以来,发表的与石墨烯有关的论文的国家/地区和研究机构。美国是论文发表量最大的国家,但是亚洲国家/地区发表的论文数量也是很显著的,以中国和日本为代表,分别排在第2位和第3位,韩国排名第6,新加坡排名第9。与其它大国相比,新加坡的贡献值得关注,因为新加坡的研究基础相对较小。研究机构的排名的特点是由几个国家级研究机构为代表,这些研究结构都有分布在各地的大的实验室网络。中国科学院,排名第1,就是1个例子。其它的是西班牙的最高科研理事会(CSIC)、俄罗斯科学院、法国国家科研中心(CNRS)。就大学来讲,美国排名前10的有加利福尼亚州立大学伯克利分校、麻省理工学院和德克萨斯州州立大学奥斯丁分校;中国有清华大学和新加坡有新加坡国立大学(NUS)和南洋理工大学(NTU)。

没有迹象表明石墨烯的研究正在放缓,自2004年以来发表的有关石墨烯的论文的总被引用次数超过了十六万三千而且还在不断地增加。Essential Science Indicators 目前列出了在上10年发表的在它们的标题中有石墨烯的503篇高被引论文与在材料科学、化学和物理方面2.1%的论文被认定为高被引论文(指全球顶级1%的文章),不成比例的是,在材料科学方面,过去2年内发表的85篇高被引论文中,标题含有石墨烯的有13篇(占15%),化学方面的195篇高被引论文中标题含石墨烯的有23篇(占12%),物理方面的123篇高被引论文中标题含石墨烯的有10篇(占8%)。其中之一就是2009年Geim的关于“石墨烯:现状和展望”的综述,已经被引用将近600次[12]。另一些最近发表的论文也分析了石墨烯研究的论文发表历史并且对其未来进行了展望[13]

课题2:金属有机框架

与石墨烯倾向于物理相反,金属有机框架(MOFs)的研究表现出与化学有很强的联系,特别是分子配位化学。 MOFs就是一个很好的例子,诺贝尔奖获得者Sir Harry Kroto最近描述说,MOFs是“越来越多的具有先进功能的配合物体系在纳米标尺维度的分子-分子组装”,是“简单的21世纪的先进的化学”[14]

MOFs是孔状微晶固体,由金属离子通过有机桥连配体所组成,用分子“构筑砌块”从基底往上设计成具有特定的功能。现在在加利福尼亚大学洛杉矶分校的Omar Yaghi是20世纪的中后期设计和合成MOFs的先驱[15]。从此以后,有2000多种各种各样的MOFs被这一小组和世界范围内的其它研究者所报道。

由于它们的记录表面积和针对特殊应用的精心构筑设计(Yaghi称之为“网状合成”),MOFs适合于存储气体——氢气、甲烷和其它气体——和气体的提纯和分离,同时也可用做催化剂。MOFs的另外一个用途是高选择性的传感器。它们的储能的潜力激起了科技界的极大兴趣并且远远不止这些。

这个世纪到目前为止,发表的有关MOFs的论文从2000年的几十篇论文像火箭般蹿升到2011年的1900篇论文(图5)。据科学网数据库统计,从1995年到2011年5月,发表在论文标题、摘要和关键字中有“有机金属框架”的有关MOFs的论文有6313篇。截至目前为止,这些论文被引用了14万7千多次。与和石墨烯相关的论文相当,尽管用了较长的时间。

按发表这些论文的杂志进行分类发现,最频繁出现的是化学类杂志,共发表有关MOFs的论文6313篇,其中排在比较靠前的分支领域是化学交叉学科类、无机、和核化学、晶体学和物理化学,其次是材料科学交叉学科类 (表7)。

7 2004年至20115月间发表有关有机金属框架的研究论文的杂志分类归纳的与有机金属框架有关的研究领域,由于有些杂志分属几个领域,因此,统计出的论文数可能比论文的实际数量要多。

排名

领域

论文数/篇

1

化学交叉学科

2,669

2

无机与核化学

2,105

3

结晶学

1,260

4

物理化学

1,210

5

材料科学交叉学科

1,150

6

纳米科学与纳米技术

379

7

化学工程

164

8

凝聚态物理

158

9

原子、分子和化学物理

142

10

应用化学

132

从1995年以来,发表有关MOFs的论文数的国家/地区排序,中国排在第1位,几乎为第2的美国的两倍。欧洲(包括德国、英国、法国和西班牙)和其余的亚-太地区(日本、印度、南韩和澳大利亚),发表的有关MOFs的论文数量远低于中国和美国。

如果按研究机构排名(表8),毫不令人惊讶的是,中国的研究结构和大学占主导地位,在前10名中,中国有7名,而且占据了前6名。这些数据显示,MOFs的研究是中国科研人员和中国政府优先选择的研究领域,可能的原因不仅仅是科研方面的兴趣,很有可能是MOFs在能源储备和其它工业领域的应用的巨大潜力。

表8 1995年至2011年5月间发表与有机金属框架有关的论文的数量的国家和研究机构排名

论文数/篇

国家/地区

排名

研究机构

论文数/篇

2,584

中国

1

中国科学院

450

1,398

美国

2

中国南京大学

314

447

德国

3

中国南开大学

189

393

日本

4

中国东北师范大学

156

388

英国

5

中国吉林大学

130

355

法国

6

中国中山大学

120

292

印度

7

日本东京大学

118

250

韩国

8

美国密西根大学

101

240

西班牙

9

美国西北大学

96

160

澳大利亚

10

中国西北大学

86

 

课题3:静电纺丝纳米纤维支架

研究前沿“用于组织工程的静电纺丝米纤维支架”在材料科学专业的被引用数排名第10(表4),是多学科交叉研究领域的例证,它将材料科学、高分子化学、纳米技术和生物医学工程联系在一起。静电纺丝技术,是1个新兴领域,最近用于制造纳米直径的连续纤维,用于制造在结构和功能上模拟天然的源生细胞外基质(native extracellular matrix)的支架。

基于多种生物相容性材料的支架,不仅可以支持种子细胞,而且,纤维的空隙度可以包裹具有促进细胞粘附和增殖功能的蛋白以及对,比如,抗生素或抗癌药物等药物的保持和释放。尽管静电纺丝只是制备支架的一种方法,但是迄今所得到的结果明确表明,它对组织和器官的重生具有巨大的促进作用。

在科学网数据库中搜寻在标题、摘要和关键字中有“electrospun OR electrospin*”AND “scaffold* OR*tissue*”字眼的论文,我们检出在2000至2011年五月间发表了1899篇与静电纺丝生产纳米纤维支架有关的论文。迄今为止,这些论文被引用了3万1千多次。在过去的十年当中,有关这一专题的论文的增长是很显著的,在2000到2002的3年间只有几篇论文,而到2011年估计将有550篇(图5)。

这些由从2000年到2011年五月发表的1899篇有关静电纺丝纳米纤维支架的论文所涉及的领域证实了这一研究的跨学科性,尤其在材料科学和生物医学科学之间(表9)。

表9 按2004年至2011年5月发表与静电纺丝纳米纤维支架有关的论文的杂志分类归纳的与静电纺丝纳米纤维支架有关的研究领域,由于有些杂志分属几个领域,因此,统计出的论文数可能比论文的实际数量要多。

排名

领域

论文数/篇

1

生物医学工程

629

2

材料科学,生物材料

581

3

高分子科学

480

4

材料科学,交叉学科

276

5

纳米科学与纳米技术

223

6

生物技术与微生物应用

193

7

化学,交叉学科

156

8

应用物理

146

9

细胞生物学

136

10

物理化学

114

从2000年以来发表的与静电纺丝纳米纤维有关的论文数量来看,美国在所有国家中排名第1,接下来的3个国家都是亚洲国家——中国、韩国和新加坡——,而且这3个国家发表的论文数加在一起远远超过了美国。汤森路透私人有限公司的《科技瞭望通讯(Science Watch Newsletter)》最近以新加坡科技为主题,报道了这个国家在生物医学工程和细胞组织工程方面发表了2倍于预期值论文,它们的论文的篇均被引频次分别超过相应领域世界平均引用次数67%和25%[16]

在表10中,亚洲有排名第8的日本和排名第10的泰国。如果按研究机构排名,排名前10的研究机构中,其中美国的大学占4席,其余6个均来自亚洲的大学或科研机构:新加坡国立大学、中国的东华大学和中国科学院、韩国国立首尔大学和国立Chungnam 大学、泰国Chulalongkorn 大学。

表10 按2000年至2011年5月间发表的与静电纺丝纳米纤维支架有关的论文的数量的国家/地区和研究机构排名

论文数/篇

国家/地区

排名

研究机构

论文数/篇

657

美国

1

新加坡国立大学

144

448

中国

2

中国东华大学

120

438

韩国

3

美国纽约州立大学石溪分校

58

161

新加坡

4

美国弗吉尼亚联邦大学

56

92

英国

5

韩国国立首尔大学

53

80

意大利

6

中国科学院

42

70

德国

7

韩国国立Chungnam大学

35

66

日本

8

泰国Chulalongkorn 大学

34

49

澳大利亚

9

美国俄亥俄州立大学

28

39

泰国

10

美国宾夕法尼亚大学

27

      Seeram Ramakrishna,这位该研究领域的领军人物、新加坡国立大学机械工程教授兼研究策略副总裁,最近指出,未来研究应该主要集中在如何有效地开发在这些复合物纳米纤维支架上的间质干细胞辨别的多能性的潜力[17]

总结

材料科技对许多局外人来讲或许是一个模糊不清的领域。在这一领域有很多名词堆砌的专业术语。它涵盖了一定的看起来神秘甚至是不知所云的知识和技术范围。但是材料科学的多元化和快速增长的势头、以及能转化成新产品和新过程的显著的潜能,使得它对经济增长和社会变革起关键作用,由于以上特点,非常值得我们去了解。

材料的使用和发展已构成人类历史上的一个主流。技术史充满了由新材料的发现和使用带来的革命性的变化的重要例证。铜曾经让位于铁,然后又是钢,现在可以说是硅。是否石墨烯将取代带电子学中的硅呢?是否将来汽车的能源将由MOFs中存储的氢代替呢?是否将来在纳米纤维支架上的干细胞生长将使器官移植成为平常的手术呢?事实上,最近在材料科学和技术上的发展可以使我们对提出的这些问题说些什么。就像这里建议的那样,我们或许现在正在进入先进材料独特的新时代。

谁将成为这次变革的先锋?亚洲国家及其研究结构显然已经将研究重点放在了新材料上。欧洲和北美确不是这样,特别是美国,在过去的30年中,在材料科学方面的研究在世界所占份额不仅降了一半,而且在20世纪90年代后期和本世纪初在论文数量上呈下降趋势。只是近几年,才恢复到1996年的水平。

尽管面临挑战,美国在这一领域的研究标准还是很出色的。美国在材料科学方面论文的篇均引用率比世界平均水平要高73%。事实上,与其它领域相比较,美国在这一领域表现出了最高的相对引用影响力。西欧也表现出了较高的平均影响力。不过,在亚洲成千上万的新材料研究者中,一些人通过历练迅速成长,亚洲和欧洲及北美的引用影响力间的差距开始变小且正在接近。

全球研究报告并不着眼于竞争,不过这对于了解各国之间的比较还是有用的。这就是上述观察的内容。无论如何,材料研究是和经济增长紧密相联系的。因此,为了将来更广阔的前景,美国和欧盟的决策者和议员们或许应考虑在材料研究方面承担更大的义务,甚至超出美国国家和欧盟相应的基金机构最初对纳米技术的投入。由材料研究推动的工业应用能否让其它国家受益,使G7国家成为基于这一研究的新产品的进口国而非出口国例如在美国,与物理、化学和材料科学的研究经费相比,对生物医学研究的资助有了显著的增加。尽管从被引用的影响力而言,在材料科学研究领域美国的大学仍然处在领先地位,或许我们应该考虑达成一个新的平衡。在欧洲,尽管德国马普学会, 法国国家科研中心和西班牙最高科研理事会所属研究团队的成绩显著,但是处在主要创新者位置的大学的业绩稍逊。当我们考察引用影响力的时候,入榜的大学越来越多,不过,如果想在所建立的研究经济学中知识含量更丰硕的话,支持高等教育机构研究的政策也许需要加以重新考虑。

参考文献

1. Anonymous editorial, “A bright future for materials research,” NPG Asia Materials, January 21, 2010 (see:http://www.natureasia.com/asia-materials/editorial.php?id=687)

2. The previously published Thomson Reuters Global Research Reports are available at: http://

researchanalytics.thomsonreuters.com/grr/. The nations or regions treated in these reports have included, in chronological order, China, India, Brazil, Russia, Australia & New Zealand, Africa, Japan, the United States, and the Middle East.

3. On this procedure, see: http://www.sciencewatch.com/about/met/classpapmultijour/

4. The 356 journals Thomson Reuters allocates to materials science may be found at: http://sciencewatch.com/about/met/journallist/

5. Martin Grueber and Tim Studt, “2011 Global R&D Funding Forecast,” R&D Magazine, 52 (7): 31-64, December 2010 (see: http://www.battelle.org/aboutus/rd/2011.pdf)

6. See: http://sciencewatch.com/dr/rfm/mos/10marmosGLOBAL/

7.For further information, see: http://sciencewatch.com/about/met/core-rf/ and http://sciencewatch.com/about/met/rf-methodology/

8. See: http://sciencewatch.com/dr/rfm/mos/10aprmosNANOSCI/

9. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, and A.A. Firsov,“Electric field effect in atomically thin carbon films,” Science, 306 (5696): 666-669, October 22, 2004.

10. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, M.I. Katsnelson, I.V. Grigorieva, S.V. Dubonos, and A.A. Firsov, “Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene,” Nature, 438 (7065): 197-200, November 10, 2005.

11. See: http://science.thomsonreuters.com/press/2008/8481910/

12. A.K. Geim, “Graphene: Status and prospects,” Science, 324 (5934): 1530-1534, June 19, 2009. Also see:A.K. Geim and Philip Kim, “Carbon wonder,” Scientific American, 298 (4): 90-97, April 2008, and A.K. Geim and K.S. Novoselov, “The rise of graphene,” Nature Materials, 6 (3): 183-191, March 2007

13. See: Mazdak Taghioskoui, “Trends in graphene research,” Materials Today, 12 (10):34-37, October 2009; Li Wang and Yun-tao Pan, “Research frontiers and trends in graphene research,” New Carbon Materials, 25 (6): 401-408, December 2010; and Peng Hui Lv, Gui-Fang Wang, Yong Wan, Jia Liu, Qing Liu and Fei-cheng Ma, “Bibliometric trend analysis on global graphene research,” forthcoming in Scientometrics (http://www.springerlink.com/content/19027072k6618168/)

14. Quoted in: Paul Jump, “Tiny steps to a new world, but UK is stumbling,” Times Higher Education,February 24, 2011 (see:http://www.timeshighereducation.co.uk/story.asp?storycode=415261)

15. See: Omar M. Yaghi, Guangming Li and Hailian Li, “Selective binding and removal of guests in a microporous metal-organic framework,” Nature, 378 (6558): 703-706, December 14, 1995; Omar M. Yaghi, Hailian Li, Charles Davis, David Richardson and Thomas L. Groy, “Synthetic strategies, structure patterns, and emerging properties in the chemistry of modular porous solids,” Accounts of Chemical Research, 31 (8): 474-484, August 1998; and, Hailian Li, Mohamed Eddaoudi, M. O’Keefe and Omar M. Yaghi, “Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework,” Nature, 402 (6759): 276-279, November 18, 1999

16. Christopher King, “Tracking Singapore’s rise,” Science Watch, 22 (3): 1-2, May/June 2011

17. Molamma P. Prabhakaran, Laleh Ghasemi-Mobarakeh, and Seeram Ramakrishna, “Electronspun composite nanofibers for tissue regeneration,” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 11 (4): 3039-3057, April 2011

 

图3中的文字:

full cells 燃料电池

chemistry 化学

nanoscience 纳米科学

superconductivity 超导性

quantum physics 量子物理

solar cells 太阳能电池

water 水

polymerization 聚合反应

preterm birth 早产

medicine 医学

psychiatry精神病学

Alzheimers老年痴呆症

HPV人类乳头瘤病毒

Astrophysics天体物理学

Proteins 蛋白质

Immune 免疫学

Neuroscience 神经科学

Drugs药物

Brain 大脑

TNF肿瘤坏死因子-α

H5N1 一种甲型流感病毒

Health care 公共卫生服务

Heart disease 心脏病

Social science 社会科学

Sociology 社会学

Economics 经济学

Antioxidants 抗氧化剂

Life course 生命历程

Pulmonary disease 肺病

Cancer 癌症

Sterm cells 干细胞

Dendritic cells树突状细胞

Obesity肥胖症

HIV 人类免疫缺陷病毒

Biology 生物学

Plant sciences 植物科学

Gene chips 基因芯片

Climate charge 气候变化

Environment 环境

Land use 土地利用

Pollutants 污染物

Ecology 生态学

图4

Grapheme 石墨烯

Aligned arrys 取向阵列

Negative index 负指数

Nanotubes films 纳米管薄膜

ZnO thin films 氧化锌薄膜

Polaritons 极化激元,激元

Chemically functionalized 化学功能化的

Plasmons flowers 等离子体花

Nanowires 纳米线

p-type doped thin film p型掺杂薄膜

Raman 拉曼

Nanotube full cells 纳米管太阳能电池

Spheres 球

Wire 线

Dye-sensitive 染料敏化

Ionic liquid solar cells 离子液体太阳能电池

Photoelectrochemical solar cells 光电化学太阳能电池

Organic solar cells 有机太阳能电池

Organic semiconductors 有机半导体

Organic LEDs 有机发光二极管

Electrophosphorescent LEDs 电致磷光发光二极管

Fluorescence 荧光

Logic gates 逻辑门

Supromolecular catalysis 超分子催化

Electrochemical sensors 点化学传感器

Superlattices 超晶格

DNA detection DNA探测

Silica 硅片

Plasmonics 等离子学

Capactors 电容器

Organic silicon 有机硅

Mesoporous carbon 介孔碳

Electrodes 电极

Magnetic 磁性的



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