2022全球化学与材料、化工领域Top10前沿报告发布

近日，科睿唯安与中国科学院今天联合发布《2022研究前沿》报告，遴选和展示了11大学科领域中的110个热点前沿和55个新兴前沿。今年是双方连续第九年携手发布《研究前沿》系列报告。

《2022研究前沿》以科睿唯安Essential Science Indicators™ (ESI) 数据库中的12610个研究前沿为起点。今年的报告基于2016-2021年的论文数据分析。

化学与材料科学领域Top10热点前沿发展态势

化学与材料科学领域Top 10热点前沿主要分布在催化、电池、 材料、新兴交叉等研究方向。催化方向有3项，“不对称催化合成轴手性化合物”连续第二次入选，“单原子催化”和“纳米酶”都是中国学者率先提出并做出重要贡献的前沿方向。电池方向有2项，分别是水系锌离子电池和锂硫电池。水系锌离子电池第二次入选，2020年正极材料入选，2022年负极材料。材料方向有3项，分别是“自供电 可穿戴织物”“具有圆偏振发光性质的热激活延迟荧光材料”“多金属氧簇研究”。新兴交叉方向有2项，数据科学与化学的交叉第二次进入Top 10热点前沿，另一项是“机械化学”。

表1 化学与材料科学领域Top10热点前沿

图2 化学与材料科学领域Top10热点前沿的施引论文

重点热点前沿——“纳米酶”

纳米酶是中国科学家提出的新概念。2007年，中国科学院生物物理研究所阎锡蕴团队报道了Fe3O4纳米粒子具有辣根过氧化物酶的催化活性。在证实具有类酶催化活性普遍规律后，他们将这类纳米材料命名为纳米酶。按照定义，纳米酶是一类能够在温和或极端条件下催化酶的底物并遵循酶动力学将其转化为产物的纳米材料。截至目前，已报道的纳米酶有1100多种，包括氧化还原酶、水解酶、裂合酶和异构酶四大类型。其中，过氧化物和超氧化物歧化纳米酶的催化活性已接近或超越相应的天然酶。在纳米酶领域，无论是基础研究还是应用研究，中国科学家一 直发挥着引领作用。该前沿的4篇高被引论文分别发表在化学领域权威的综述性期刊《化学会评论》（Chemical Society Reviews）、《化学评论》（Chemical Reviews）、《化学研究述评》（Accounts of Chemical Research）。其中，中国科学院生物物理研究所阎锡蕴院士贡献了2篇高被引综述论文，合作者分别来自深圳大学及美国威斯康星大学麦迪 逊分校（1篇）和北京理工大学（1篇）。这两篇综述论文介绍了具有特定功能的纳米酶的设计和构建、纳米酶研究的标准化和纳米酶在生物医学中的应用。中国科学院长春应用化学研究所曲晓刚研究员与来自南京林业大学的合作者介绍了纳米酶在生物传感、环境保护、疾病治疗等领域的应用进展。南京大学魏辉教授介绍了纳米酶在生物传感、诊疗、环境保护等领域的应用进展。在施引论文方面（表2），中国发表的论文数量排名第一，并遥遥领先。在排名前十的发文机构中，中国占据了9家，并占据了前6名的位置。这都反映了中国在该领域的研究非常活跃并形成了集群优势。

表3 “纳米酶”研究前沿中施引论文Top产出国家和机构

重点热点前沿——“机器学习辅助的化学合成”

长期以来，化学合成采取依赖专家经验和人工试错的研究模式，不仅失败率较高，而且容易引发安全事故。实现化学合成智能化、自动化是化学科技工作者长久以来的梦想。以机器学习为代表的人工智能的快速发展为实现这一梦想提供了可能。《研究前沿》系列报告捕捉到了机器学习助力化学研究的发展趋势：2019年，“机器学习预测分子性质”入选化学与材料科学领域Top 10热点前沿；2022 年，“机器学习辅助的化学合成”进入Top 10热点前沿。

该前沿的35篇核心论文涉及反应预测（反应性、路线、产物等）和自动合成两方面内容。在反应预测方面，既包括基于化学反应规则的方法，例如波兰科学院、波兰华沙大学、韩国国立蔚山科学技术院等开发的Chematica软件；也包括基于自然语言处理的方法，例如瑞士IBM欧洲研究院和英国剑桥大学合作开发的Molecular Transformer模型。德国明斯特大学和中国上海大学合作发表的关于使用深度神经网络规划逆合成路线的研究，是被引频次最高的一篇论文。在自动合成方面，既包括自动合成技术研究，例如美国伊利诺伊大学开发的Automated Synthesizers，英国格拉斯哥大学开发的Chemputer系统；也包括自主实验室研究，例如美国麻省理工学院开发的自动合成平台（相关论文被引频次排在第二位）， 英国利物浦大学开发的移动实验机器人。

图4 “机器学习辅助的化学合成”研究前沿中心核心论文的被引频次分布曲线

如表5所示，美国贡献了该前沿超过一半的核心论文，英国和瑞士分列第二、三位，这3个国家在该领域处于领先地位。具体到机构层面，美国麻省理工学院、瑞士IBM欧洲研究院、英国格拉斯哥大学、美国伊利诺伊大学、韩国国立蔚山科学技术院不仅贡献了多篇核心论文，而且自主研发了产品甚至实现了商业化。

表5 “机器学习辅助的化学合成”研究前沿中核心论文的Top产出国家和机构

在施引论文方面（表6），美国排名第一，并显示出很强的研究集群优势；中国排名第二，展现出积极发展的态势；加拿大表现突出，上升势头明显。在施引论文 Top 10机构中，美国有麻省理工学院等4家机构入选，中国有中国科学院（排名第2）和清华大学（排名第10）入选。

表6 “机器学习辅助的化学合成”研究前沿中施引论文Top产出国家和机构

新兴前沿及重点新兴前沿解读

新兴前沿概述：在化学与材料科学领域共有3项研究入选新兴前沿，分别涉及能源材料、纳米生物医药材料和化学检测技术。钙钛矿太阳能电池多年来一直是化学与材料领域的热点前沿方向，较多关注材料制备、效率和稳定性提升等关键基础问题的解决，2022年的新兴前沿方向除了持续关注以上问题外，促进钙钛矿太阳能电池商业化的大面积可扩展制备技术和工艺成为新的新兴前沿方向。新冠肺炎疫情肆虐，新型冠状病毒的快速检测技术成为近两年的研究热点，2021年的研究主要聚焦于金属纳米粒子制备病毒检测传感器，2022年的新兴方向则聚焦在采用电化学的方式，如利用印刷电极检测免疫标记酶的副产物等实现唾液中的新型冠状病毒的快速智能检测。纳米材料在药物缓释和输送中的应用首次进入新兴前沿主要聚焦于采用静电纺丝技术制备的纳米纤维材料在药物缓释和输送中的应用研究。

表7 化学与材料科学领域新兴前沿

重点新兴前沿——“钙钛矿太阳能电池关键核心基础问题及其商业化实现技术”

钙钛矿太阳能电池（PSC）除了具有与硅基太阳能电池相近的转换效率外，还具有加工和制造过程简单，可以制备成薄膜形状，成本低，重量轻等优势，成为最有前途的薄膜光伏（PV）技术之一，有可能对成熟的硅太阳能电池市场产生冲击。效率提升、长期稳定性和实现商业化的大面积材料的大规模可扩展制备是PSC需要面对的重要挑战，该前沿也致力于探索这些挑战的解决方案。

针对PSC效率提升，该前沿包含的技术方案主要有：在钙钛矿层和导电层之间放置电子传输层及添加甲胺基溴化铅；从阴离子空位缺陷入手，利用阴离子工程概念抑 制存在于晶界和钙钛矿薄膜表面的阴离子空位缺陷等策略实现转换效率的提升。

针对提升PSC的长期稳定性研究，该前沿包含的技术方案主要有：通过整体界面稳定策略，对钙钛矿层和空穴传输层、电荷传输层和器件封装等相关层和界面进行修 饰；通过将苄基肼盐酸盐添加到制备钙钛矿电池的前驱体溶液中；通过向甲脒-铯混合阳离子钙钛矿中添加过量的甲脒/铯和碘的等方式实现了钙钛矿微型模块的稳定性提升。PSC的大面积可扩展制备是其实现商业化的关键，本前沿包含的技术方案主要有：通过甲脒铯钙钛矿前驱体溶液中添加二苯亚砜稳定前驱体膜；通过可扩展的，可正交加工的喷涂方法在表面区域以明确的组成梯度；采用狭缝涂布印刷工 艺等策略实现大面积薄膜的高质量可扩展制备。

化工、冶金与材料工程

工程研究前沿

化工、冶金与材料工程领域组研判得到的Top12工程研究前沿的核心论文情况见表6。其中，“催化剂表面活性位点精准构筑”“新 一代高能量密度动力锂电池正极研究”“绿色能源驱动光/电过程高效固氮”和“化学工业大数据的自主推理”是基于数据挖掘而来；其他前沿则是由专家推荐而来。

表6 化工、冶金与材料工程领域Top 12工程研究前沿

工程开发前沿

化工、冶金与材料工程领域组研判得到的Top10工程开发前沿（表7）。其中，能源和环境相关的研究或技术开发一直占据“前沿”的重要地位，与“柔性”相关的材料或器件在今年的前沿中也比较突出，包括了“新一代柔性显示玻璃材料与技术开发”和“柔性显示器件关键制备技术及应用”。

表7 化工、冶金与材料工程领域Top10工程开发前沿

（来源：科睿唯安 版权属原作者 谨致谢意）