材料科学研究热点与前沿挖掘——以富勒烯为例

曾硕勋，冯 敏，姜 玲

(1. 甘肃省科技情报研究所，甘肃 兰州 730000)(2.甘肃省科技评价监测重点实验室, 甘肃 兰州 730000)(3. 庆阳市农业科学研究院，甘肃 庆阳745000)

1 前 言

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利(1996年诺贝尔化学奖获得者)制得碳原子簇结构分子C60[1]，至今，富勒烯经历了从发现、规模合成，到应用研究，以及富勒烯衍生物的合成与应用。富勒烯家族的诸多物理化学特性，尤其是C60独特的性质，已经在诸多领域如有机化学、无机化学、生命科学、材料科学、高分子科学、催化化学、电化学、超导体与铁磁体等展现出其优越性质。Friedman等在1993年发表的文章中认为C60的体积与HIV病毒活性中心的空穴大小相匹配，有可能堵住洞口，切断病毒的营养供给[2]。1999年Serdar Sariciftci认为共轭高分子材料由于同时具有良好的加工性和柔韧性及掺杂后优良的导电性，以及价格低廉、可大面积成膜等优点，因此在光电转换领域具有巨大的潜在应用价值[3]。2014年莫斯科理工学院、俄罗斯超硬和新型碳材料技术研究所(FSBI TISNCM)和密西根大学的研究人员采用一种新方法合成了超硬富勒烯材料，硬度为150～300 GPa，超过钻石的物理强度[4]。此外，来自中国科学院和中国科学院大学的Zhao团队在国际期刊JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY(2017年期刊影响因子为14.357)发表一篇重要文献(被引超过900次)，实验研究得到一种新的非富勒烯受体材料IT-4F，该材料与聚合物给体材料PBDB-T-SF共混制备有机太阳能电池，取得了超过13%的能量转换效率[5]。上述一系列不断涌出的富勒烯研究成果，进一步推进了富勒烯领域的研究与应用发展，并在诸多领域展现出其巨大的社会经济价值。

为此，挖掘国际富勒烯领域研究的热点和前沿，将为富勒烯的学科交叉研究，以及发现可能的延伸领域研究，带来可能的线索。与此同时，对文献计量理论、重要文献比较、可视化展示等手段的应用实例，为材料科学等自然科学领域的科研人员，把握学科热点和学科前沿提供借鉴。

2 数据来源与处理

考虑到数据源的国际性、有效性、权威性和易得性，选择汤森路透公司开发的Web of Science核心合集中的SCI(Science Citation Index Expanded)网络数据库，通过检索词：“Fullerene”、“C60”、“C-60”，检索式：Fullerene or C60or C-60，选择检索字段：“标题”，检索时间段：2007至2017，检索时间为2017年4月1日，结果共检索到10 205条数据。采取“全记录与引用的参考文献”的“纯文本”格式导出，形成分析的原始数据。

由于各期刊要求格式不完全一致，原始数据存在数据格式软件无法识别，作者姓名全称简称不一，关键词大小写、单复数等诸多问题，导致后续分析数据的遗漏、重复等情况。为此，有必要对数据进行规范化处理，主要采取了软件与人工相结合的方式进行，确保数据尽量规范有效。

3 研究方法与工具

共词分析(co-word analysis)最早被文献记录出现在20世纪70年代后期，属文献计量领域，主要是对一组词语(数据)进行统计，筛选出较高频次字段的文献，研究相同字段共同出现在若干文献中的频次。在此基础上，主要通过聚类手段，得出文献中词语(研究主题)之间的密切联系程度，从而判断出学科研究领域的变化情况[6-9]。

随着期刊文献的标准化格式出版，为计算机共词分析统计带来了诸多便捷，也为了解学科领域发展变化提供了更为直观可视的手段。当前可进行共词分析的工具较多，如汤森路透公司开发的Thomson Data Analyzer、olle Persson开发的Bibexcel、陈超美等开发的CiteSpace、Excel等工具均可进行共词分析。Thomson Data Analyzer与Web of Science均由汤森路透公司开发，一次导出数据可实现无缝结合，但使用成本较高；Bibexcel共词分析相对较为繁琐，但数据打开便捷，也方便后续的可视化展示，且为免费工具；CiteSpace历经多年多版本的更新升级，在引文分析及可视化方面为当前热点工具，尤其在前沿文献获取优势明显；Excel也可通过数据透视表等功能实现共词分析，但与后续的多角度共词分析和可视化分析衔接较为不便。综合上述软件特点，本文采用Bibexcel、CiteSpace V进行了一系列的共词分析，并结合VOSviewer、UCinet软件进行可视化数据处理和展示。

4 研究结果及分析

4.1 研究概况

1962年“C-60”首次出现在文章标题中(“Problem of Autoinfection after Total Body Lethal Irradiation of Dogs with C-60”)，但真正涉及到富勒烯领域的文章出现在1985年，题名为“C-60-Buckminsterfullerene”，之后富勒烯相关研究在学术界引起波动[1，10]。自1991年开始，有关富勒烯的文献出现井喷，1996年年度发文到达1188篇，之后有关富勒烯领域的文献保持持续高发文量(图1)。

图1 富勒烯领域历年发文量Fig.1 The number of annual publications of the field of fullerenes

4.2 研究热点

为充分发挥各种分析工具的优点、取长补短，凸显富勒烯研究热点可视化结果以及分析便捷，采用多方式联合可视化分析：借助Bibexcel关键词“DE”字段抽取，形成共词矩阵，联合VOSviewer(Minimum total link strength of an item参数为5)，形成富勒烯领域研究热度图(图2)；借助Bibexcel关键词“DE”字段抽取，形成共词矩阵，并导入UCinet形成富勒烯领域研究关键词共词图(图3，选择显示共词参数不小于5)；采用CiteSpace V(节点类型为Keyword、主题词类型为Noun Phrases，算法为Pathfinder)得到富勒烯领域研究关键词(图4和表1)。

图2 富勒烯领域研究热度Fig.2 The research hotspots of fullerene field

图3 富勒烯领域研究关键词共词Fig.3 The co-words of key words of fullerene field

图4 富勒烯领域研究关键词Fig.4 The key words of fullerene field

综合分析图2至图4以及表1，发现与富勒烯相关的研究热点除富勒烯本身外主要有以下3个方面：C60，涉及聚合物、光谱检测、形态结构、C70等，其中富勒烯聚合物的研究较热；self-assembly，涉及纳米、超分子等的结构，其中碳纳米管等研究较热；PCBM、P3HT、solar cell，涉及富勒烯在光伏电池领域的能量转换及其效率、聚合物材料、太阳能薄膜等研究。综合比较下，光伏电池是富勒烯领域最热的研究主题。

表1 富勒烯领域研究关键词top10

4.3 研究前沿

借助CiteSpace V的强大筛选过滤，选择每年top5的被引文献，其他为默认选择，获得93篇高被引经典文献的可视化图，再通过“K”聚类和“LLR”算法抽取标识词，得到20个类簇(图5)。

再通过20个类簇的节点“List CITing Papers to the Cluster”，获得施引93篇经典文献的各簇前沿文献。选择平均年份最近的簇，最终形成富勒烯最前沿的文献13篇(表2)。

图5 富勒烯前沿族聚类Fig.5 Fullerene frontier family clusterings

精读表2中所列的13篇文献，得到5个前沿研究方向:

(1)非富勒烯聚合物：4篇文献进行了非富勒烯聚合物在太阳能电池方面的应用研究[11-14]。其中，来自中国科学院化学研究所和北京分子科学国家实验室的Bin等，研究的非富勒烯聚合物太阳能电池转换效率达到11.4%[11]。

(2)富勒烯太阳能光电转换：3篇文献进行了富勒烯聚合物、分子结构设计等提升太阳能光电转换效率的研究[15-17]。其中，来自韩国Gwangju科技研究所和Heeger先进材料技术中心的Choi等，研究优化的富勒烯太阳能电池转换效率达到7.9%[17]。

(3)富勒烯聚合物添加剂：研究不同添加剂的比例造成的富勒烯聚合物结构、性能的变化，主要用于改进富勒烯聚合物光电转换效率[18, 19]。

(4)富勒烯材料热检测：来自俄罗斯莫斯科国立大学的Mikheev等，应用富勒烯C60、C70的独特性能，研究了一种热散失测量方法[20]。

(5)富勒烯医药抗癌：来自乌克兰基辅塔拉斯舍甫琴科国立大学的3篇文献进行了富勒烯C60的医药领域探索研究[21-23]。Prylutskyy等进行了富勒烯C60生理学研究，认为C60富勒烯可以作为拦截抗生素阿霉素(一种抗肿瘤药)手段。Grynyuk等进行了富勒烯C60与白血病的研究，C60联合治疗可使白血病L1210细胞在24 h内显著下降达37%，且48 h观察无细胞毒副作用。Bychko等研究了C60联合抗击宫颈癌细胞的作用机制。

表2 富勒烯前沿文献

4.4 潜在研究

进一步围绕富勒烯的研究深入挖掘潜在研究方向，采用在数据中剔除关键词“Fullerene”，再次形成共词矩阵，并形成可视化图6(选择显示共词参数不小于5)。

从图6发现，围绕富勒烯形成了两大潜在(关联)研究:(1)太阳能电池(solar cell)，即富勒烯聚合物的太阳能电池转换效率前沿研究，包括3个热点研究方向，一是太阳能电池的稳定性(stablity)研究；二是电池聚合物共轭(conjugate)的研究；三是富勒烯衍生物(PCBM)和主要用于有机薄膜晶体管和有机太阳能电池的3-己基噻吩的聚合物(P3HT)。(2)碳纳米管(carbon nanotube)，与富勒烯相关的碳纳米管研究主要集中在石墨烯(graphene)方面,也是近年来材料领域的研究热点。由于富勒烯太阳能电池已是当前研究热点，因此富勒烯的主要潜在(关联)研究为用于制造石墨烯的碳纳米管。

5 结 语

文章采用Bibexcel、CiteSpace、VOSviewer、UCinet等软件完成富勒烯研究领域的热点和前沿方向挖掘，尤其是在研究热点寻找方面，多款软件的可视化联合应用互相取长补短，热点更加醒目和准确，同时结合CiteSpace的时间轴比较分析，可快速发现研究热点持续时间，为广大科研工作者探求相关领域的研究热点和前沿识别提供了借鉴实例。

通过上述分析，得出以下两点富勒烯可能的重点研究方向和热点：(1)富勒烯聚合物添加剂研究。能源尤其是清洁能源是未来社会经济发展的希望，富勒烯应用于太阳能电池光能转换效率提升的研究，为此提供了新的可能。与钙钛矿太阳能电池(2016年转换效率20.5%)等材料进行比较[24]，当前富勒烯太阳能电池光能转换效率仍然差距巨大，因此，研究富勒烯聚合物的添加剂和相关技术参数，是当前和未来富勒烯领域科研工作者的重要工作之一。(2)富勒烯医疗应用研究。富勒烯的医药抗癌应用研究处在理论研究阶段，尽管还不是当前研究热点，但其对人类意义深远的价值和广阔的应用空间，势必成为持续的研究前沿。为此，进一步推进理论研究，并从实验室走向医疗应用将是富勒烯研究发展的重大课题。

图6 剔除“fullerene”后的共词Fig.6 The CO-words of no “fullerene”