纳米研究前沿分析报告

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1、纳米研究前沿分析报告 中国科学院科技战略咨询研究院 国家纳米科学中心 C H I N E S E A C A D E M Y O F S C I E N C E S 2017 年 8 月 纳米研究前沿分析报告编写组 指导顾问 国家纳米科学中心 刘鸣华 总体设计 中国科学院科技战略咨询研究院 冷伏海 边文越 国家纳米科学中心 吴树仙 各国计划分析 中国科学院科技战略咨询研究院 张超星 研究前沿解读 中国科学院科技战略咨询研究院 王海名（锂电池、太阳能电池、测量表征） 中国科学院科技战略咨询研究院 邢颖（纳米药物、纳米检测、仿生纳米孔、 纳米安全性） 中国科学院科技战略咨询研究院 边文越（纳米发电

2、机、纳米催化） 数据分析与可视化图谱 中国科学院科技战略咨询研究院 李国鹏 王小梅 摘 要.01 一 主要国家纳米研究计划分析.02 二 国际纳米研究前沿分析.04 （一）数据、方法论及可视化图谱04 （二）研究前沿分析解读.06 . . 1.锂电池.06 . . 2.太阳能电池08 . . 3.纳米发电机11 . . 4.纳米药物11 . . 5.纳米检测13 . . 6.仿生纳米孔14 . . 7.纳米安全性15 . . 8.纳米催化16 . . 9.测量表征18 三 总 结.20 附录 纳米研究热点前沿和新兴前沿. 21 目 录 CONTENTS 摘 要 纳米技术是具有广泛应用前景的战略

3、性前沿技术。本研究采用内容分析、文献计量、图谱可 视化等分析方法，结合专家和领域情报人员的研究，对美国、英国、法国、德国、俄罗斯、欧 盟、日本、韩国、印度、澳大利亚以及我国纳米技术的战略规划和发展布局进行了调研分析；基 于高被引论文的共被引关系，形成纳米技术前沿科学图谱，揭示了纳米技术的前沿方向，对比了 主要国家的高被引论文数量；并选择了“锂电池” 、 “太阳能电池” 、 “纳米发电机” 、 “纳米药物” 、 “纳米检测” 、 “纳米仿生孔” 、 “纳米安全性” 、 “纳米催化” 和“测量标准”9 个前沿研究领域分别 进行了分析解读。研究得出以下结论： 1. 通过对比分析主要国家的纳米技术研发

4、计划发现： （1）各国对纳米技术的信心普遍增强， 资金投入和人员投入普遍加大； （2） 各国将纳米技术列入促进国家经济发展和解决重要问题的关 键技术领域，能源和生物医药等领域尤其受到重视； （3） 纳米技术研发重心由最初单一的纳米材 料制备和功能调控转向纳米材料的应用和商业化； （4） 各国通过公共研发平台、产业园区等方式， 促进产学研合作及与其他领域的融合； （5） 各国纷纷开展环境、健康、安全和伦理、限制等方式， 社会研究以及国际标准和规范的制定，促进纳米技术相关产业被社会接受； （6） 各国普遍重视纳 米技术的基础教育和高等教育。 2. 基于科睿唯安公司 Essential Scienc

5、e Indicators 数据库中的 11814 个研究前沿，筛选出纳米 领域研究前沿 1391 个，综合考虑论文的被引用情况和发表时间，遴选出 41 个热点前沿和 37 个 新兴前沿。1391 个研究前沿涉及高被引论文 6639 篇，美国和中国的高被引论文数量遥遥领先于 其他国家。 3. 美国在“太阳能电池” 、 “纳米发电机” 、 “纳米药物” 、 “纳米检测” 、 “纳米仿生孔” 、 “纳米 安全性”和“测量标准”7 个前沿研究领域中高被引论文数量排名第一，在“锂电池”和“纳米 催化”中高被引论文数量排名第二。我国在“锂电池”和“纳米催化”2 个研究领域中高被引论 文数量排名第一，在“太

6、阳能电池” 、 “纳米发电机” 、 “纳米药物” 、 “纳米检测” 、 “纳米安全性”5 个研究领域中排名第二，在“测量标准” 中排名第四，在“纳米仿生孔” 方面还有待提高。 4. 我国在纳米科技领域已形成一批达到世界领跑水平的优势研究方向和优秀团队。例如中科 院化学所、南开大学、华东理工大学、北京大学等机构在太阳能电池领域，中科院大连化物所、 中科院上海高等研究院和上海科技大学等机构在高效合成低碳烯烃领域，均取得突出成果。 综观纳米研究的前沿分布和变化趋势，我们相信：纳米科技正在深入到科技与社会的变革领 域，向绿色、健康等国际前沿和国家需求的大方向发展，中国在世界竞争格局中逐渐占据优势地 位

7、，并具有改变未来发展秩序的潜力。 由于数据研究和专业水平的限制， 本报告可能有些观点有待商榷，恳请各位专家读者批评指正。 纳米研究前沿分析报告 编写组 2017 年 7 月 北京 01 纳米研究前沿分析报告 2001 年，美国率先制定了国家纳米技 术计划 ，英国、德国、俄罗斯、欧盟、中国、 日本、韩国、印度、澳大利亚等国家随后也制 定了本国或本地区的纳米技术发展计划。进入 本世纪第二个十年，各国纷纷对原有计划进行 了更新和调整。 纵观各国纳米技术研发计划，既有共性又 有各自的特色和侧重。共性之处至少包括以下 6 点： （1） 对纳米技术的信心普遍增强，投资力 度普遍加大，核心科研人员数量和相关

8、企业数 均大幅增加； （2）将纳米技术列入促进国家经 济发展和解决关键问题的关键技术领域，在能 源和生物医药等领域尤其受到重视； （3）研发 重心由最初单一的纳米材料制备和功能调控转 向纳米材料的应用和商业化，纳米技术的研究 走向了新的阶段； （4）通过公共研发平台、产 业园区等方式，促进产学研合作及与其他领域 的融合，缩短从“提案”到“产业化”的时间； （5） 开展 EHS （环境、健康、安全） 和 ELSI （伦 理、限制、社会课题）研究以及国际标准和规 范（ISO、IEC）的制定，促进纳米技术相关产 业被社会接受； （6）重视纳米技术的基础教育 和高等教育。 在各自特色和侧重方面，首先各

9、国计划的 总体方向和实现目标不尽相同。作为纳米创新 战略的领先者，美国的纳米战略和研究目标更 为具体，近几年先后制定了关于碳纳米管研 究、纳米纤维素商业化及纳米技术在水资源的 可持续利用等使命导向型的研究计划。同时， 其战略规划更致力于通过多学科融合解决一些 重大挑战问题，例如 2015 年发布了纳米技 术引发的重大挑战：未来计算项目。日本的 战略规划强调利用纳米技术“尖端化”和“融 合化”的已有成果，将那些能够应对社会需求 的纳米技术进一步体系化，促进课题解决型研 究的发展。韩国的战略规划在继续重视战略性 纳米技术基础研究的前提下强调促进纳米技术 产业化，实现信息技术融合型新兴产业、未来 发

10、展动力、整洁便利环境、健康长寿及安全放 心的社会 5 大国家战略技术目标。德国的纳米 研究计划将研究重点放在了对现有研究成果的 有效转化上，希望借此能提高德国企业的竞争 力。欧盟近几年的纳米技术战略计划侧重于石 墨烯的研发和应用上，尤其是其在能源领域的 应用。澳大利亚的纳米战略计划希望在已有研 究实力基础之上实现能源、环境、健康、国家 安全及振兴制造业等重大挑战性问题的解决。 至于中国，除国家自然科学基金委外，其它相 关机构没有设立单独针对纳米科学和技术的全 谱规划。国家自然科学基金委的规划更偏重于 基础研究，重在纳米制造和测量及机理 / 机制 的研究，部分规划涉及应用领域，如能源，医 药、环

11、境等，但多数处于应用研究的最前端， 离真正的商业化或者产业化还有较长距离。 其次，各国计划中具体研究方向 / 领域也 存在着显著的区别。本文选取了生物、环境、 能源、器件与制造、测量、仪器设备、标准与 安全 7 个领域进行比较分析，发现如下特点。 1）生物领域：英国偏重于生物纳米技术 的产业化，如建立纳米纤维的生产平台，设计 纳米工厂等；中国较重视碳纳米材料的生物应 用及具有免疫应答的生物医用材料的开发；澳 主要国家纳米研究计划分析一 主要国家纳米研究计划分析 大利亚偏重于人体仿生纳米器件的研究；印度 希望利用纳米粒子开发抗虫害植物品种。俄罗 斯、德国、韩国及欧盟等把纳米植入材料作为 其重要的

12、研究方向；美国、俄罗斯、澳大利 亚、日本及印度等把纳米药物的靶向输送列为 重点支持方向；美国、日本、德国等高度重视 医学成像。 2） 环境领域：欧盟和德国将 CO2的捕获和 利用作为重要的研究方向，英国更为关注纳米 材料对环境的毒性研究，日本把放射性物质的 去除技术作为其战略方向之一，韩国较为重视 大气净化纳米催化剂研究，中国较为重视极端 环境材料的研发。美国、俄罗斯、英国、澳大 利亚、日本等高度重视纳米材料水处理技术。 3） 能源领域：美国在纳米储能材料领域较 为重视锂电池固体聚合物电解质、热自发电池 等的研发，在纳米发电材料领域较为重视多孔 固体氧化物燃料电池电解质及光伏发电增强材 料的研

13、发。欧盟重视柔性电池、轻型电存储及 储氢系统的研发以及发展包括渗透能发电在内 的新型可再生能源。俄罗斯较为重视太阳能电 池、重型陶瓷磁铁及替代能源材料的研发，英 国将研发重点放在了钙钛矿型电池模块化上， 日本强调对高温超导输送电的研究，韩国主要 部署了柔性电极、智能窗户及隔热元件等研究 方向，澳大利亚较为重视安全动力电池和太阳 能电池的研发，中国较为重视热电材料和长续 航动力电池的研究。 4） 器件与制造领域：美国、俄罗斯和欧盟 都将纳米传感器的研发列为其战略研究方向， 美国和中国都很重视芯片的研发，欧盟和中国 都将柔性智能器件、非易失性存储器列入研究 方向。美国较为重视软物质制造技术，俄罗斯

14、 较为重视基于忆阻器的电子元件，欧盟较为重 视基于石墨烯的集成电路、等离子体光开关及 晶体管的研发，中国较为重视极低功耗器件和 电路、3D 打印、硅基太赫兹技术等。 5）测量领域：美国关注异质材料的表征， 欧盟重视选择性单分子探测，俄罗斯强调原子 分辨率的材料表面成像系统，中国将重点研发 具有极限分辨能力的表征和测量技术。 6） 仪器设备领域：欧盟和韩国在柔性显示 器方面均有战略部署。美国、德国、欧盟、韩 国、澳大利亚等重视功能探测器 / 传感器（如 分子探测器、光电探测器、感应传感器） 研究。 欧盟较为重视利用太赫兹技术的相关器件的研 发，德国则较为重视危险物质探测和救援人员 防护设备的研发

15、，俄罗斯较为重视对纳米机器 人的研究，中国将纳米绿色印刷和纳米刻蚀作 为重要的研究方向。 7） 标准与安全领域：美国强调了对石墨烯 的监管及其对基因等的影响，德国重视应用纳 米技术时的必要保护措施及对食品材料的创新 研究，韩国提出要研究感染性生物物质检测与 监测，中国更为重视纳米领域应用的重要标准 和检测技术。美国、德国、韩国、中国等国关 于纳米标准与安全领域的战略部署均涉及纳米 材料的生物安全技术研究。 02 / 03 纳米研究前沿分析报告 （一） 数据、方法论及可视化图谱 科睿唯安公司 Essential Science Indicators(ESI) 数据库基于高被引论文（Top 1%）

16、之间的共 被引关系，聚类形成若干高被引论文簇，每一簇包括研究主题相同或相近的若干篇高被引论文， 形成一个“研究前沿” 。本报告以 ESI 数据库中的 11814 个研究前沿为基础，通过文献检索、专 家遴选等方法筛选出和纳米研究相关的研究前沿 1391 个，涉及高被引论文 6639 篇。ESI 数据获 取时间为 2016 年 1 月，高被引论文发表时间为 2008-2015 年。 为了可视化展现纳米研究前沿在全领域研究前沿中的分布，本报告以研究前沿为基本单元， 基于文本向量空间相似性计算了研究前沿间的相似性，然后用 OpenOrd 布局算法将研究前沿映 射到二维空间，得到基于研究前沿的科学全景图谱（图 1） 。图谱中的每个点代表一个研究前沿， 研究前沿的相似度越高则点的距离越近。通过不同颜色区分研究前沿中纳米领域论文比例的高 低。本报告发现，一般比例达到 60% 以上才能归为纳米领域研究前沿。图 1 基本反映了纳米研 究前沿在全领域研究前沿中的分布情况。 图 1 纳米研究前沿在全领域研究前沿中的分布 国际纳米研究前沿分析二 本报告对 6639 篇高被引论文的通讯作者国