遺伝子治療やドラッグデリバリーからエネルギー生成、触媒に至るまで、ナノテクノロジーは多くの科学分野に革命をもたらしています。ナノテクノロジー研究に携わるには刺激的な時代ですが、研究の急増に伴い、個々の研究者が潜在的なブレイクスルーを見極めることは困難になっています。
We recently discussed our novel methodology for analyzing the CAS Content Collection™, the largest human-curated repository of scientific publications, to develop CAS TrendScape™ maps of nanotechnology concepts. These maps provide a wealth of information in a condensed and easy-to-read format by clustering similar concepts together. Our analysis leveraged Natural Language Processing (NLP) techniques and human curation to synthesize vast amounts of data and reveal emerging areas of research.
データが整理されておらず、機会を逃していませんか？すべてのデータを接続し、その潜在能力を最大限に引き出す方法をご紹介します。
CASチームに問い合わせるこの分析を拡張することで、より深い洞察を得ることができます。文献内の概念の共起を調べることで、ナノ材料と潜在的な応用分野の有望な交差点を見出すことが可能です。このアプローチは、複雑なイノベーションの状況において、研究者が新たなアイデアとその関連性を迅速に特定するのに役立ちます。
CAS TrendScapeマップが主要な概念を特定する仕組み
複雑かつ拡大を続けるナノテクノロジー分野の全体像を把握するため、私たちはまず既存の公開文献を特定することから始めました。カスタマイズした検索クエリを使用し、CAS Content Collectionからナノテクノロジーに関連する約300万件の文書を抽出しました。その後、Natural Language Toolkit (NLTK)のステミングおよびレンマ化技術を用いて、タイトルや抄録から新たなトピックを示唆する候補フレーズを特定しました。
出版物の成長率（前年と比較したトピック別出版文書数の差）に関する追加パラメータを適用し、広範な手動キュレーションを行った後、ナノスケールの材料、応用、特性における新たな概念をグラフィカルに表現しました（図1参照）。その後、応用分野と材料分野に焦点を当て、概念間の具体的な共起関係を調査しました。
NLPベースの分析が明らかにするアイデアの融合
TrendScapeマップ内の概念間のつながりを理解するため、私たちはNLPベースの分析を行い、ジャーナル抄録の同一文内における個々の概念の共起数をカウントしました。これにより、任意の2つの概念間のつながりの強さを定量化することができました。また、文内での共起を分析対象としたため、偶然の共起が発生する可能性を低く抑えています。
あるトピックのフレーズが、別のトピックのフレーズと同一の文に出現した文書のタイトルと抄録の数をカウントしました。例えば、「太陽電池」、「光起電力」、「ペロブスカイト太陽電池」という用語が、「ナノキャビティ」という用語と同じ抄録の文に出現した文書は、「太陽電池」と「ナノキャビティ」というトピックの共起としてカウントされます。この分析を2019年から2022年までのジャーナルおよび特許出版物に適用し、最も新しい新たな概念を抽出しました。
図2のプロットは、2019年から2022年の間に用語のペアが同一文内で共起した文書の平均数（X軸）と、同期間におけるそれらの共起文書の平均成長率（Y軸）を示しています。明確化のため、組み合わせは2つの図に分け、同じマップ内（応用マップ内、または材料マップ内）での概念の共起と、異なるマップ間での用語の共起を示しています。このデータから観察される一般的な傾向として、出版頻度が比較的低い組み合わせでは成長率が大きくばらついており、出版数が多い一方で成長率が比較的低い組み合わせへと続く長い裾野が存在することがわかります。
興味深い概念のペアは、2つのカテゴリーに分類されました。1つは成長率が高く、概念間の新たなつながりを示すペア、もう1つは文献数は多いものの成長率が低く、確立されたつながりであることを示唆するペアです。
急速に増加している共起の重要な例として、ワクチンと脂質ナノ粒子が挙げられます。この組み合わせの極めて高い成長率は、2021年から2022年にかけてCOVID-19ワクチンに関する膨大な数の論文が発表されたことに起因します。科学研究においてこのトピックが主流であった時期にワクチン関連の概念が共起したことは、本手法の妥当性を裏付けるものとなりました。
共起する概念をさらに深く調査したところ、他にも注目すべき新たなトピックがいくつか明らかになりました。
- ナノ発電機：ナノ発電機、特に摩擦電気ナノ発電機と圧電ナノ発電機は、CAS TrendScapeのアプリケーションマップで特定された重要な応用分野です。これらのデバイスは、2つの表面が相互作用（摩擦）または変形（圧電）する際の電荷分離を通じて、動きから電気を生成します。論文での出現頻度が高まっているのは、センサーやヒューマンマシンインターフェースなどのウェアラブルデバイスでの利用が要因と考えられます。
これらのアプリケーションと最も頻繁に共起する材料を分析した結果、ナノファイバーと酸化亜鉛がナノ発電機と最も顕著に関連しており、ハイドロゲルも急速に増加していることがわかりました（図3参照）。ナノファイバーは、その高い比表面積、柔軟性、およびエレクトロスピニングを用いたカスタマイズ可能な材料合成の可能性から、摩擦電気ナノ発電機において特に注目されています。
- MXene： MXeneは、研究関心が著しく高まっている無機2D材料の一種です。主な用途には、電極触媒、光触媒、電池などがあります（図4参照）。MXeneは、高い比表面積、導電性、そして表面官能基の変更やカーボンナノチューブなどの他のナノスケール材料との組み合わせによる汎用性の高さから、これらの用途に適しています。エネルギー転換が進み、触媒や電池によるエネルギー貯蔵の重要性が増す中、MXeneはその特性により、再生可能エネルギー源の維持において重要な役割を果たす可能性があります。グラフェンを用いた複合電極から熱エネルギー貯蔵用途に至るまで、MXeneの形態、電気的特性、カスタマイズ性は、今後長年にわたり重要な概念となるでしょう。
- ナノプラスチック： ナノプラスチックは一般的にサイズが1 µm以下のポリマーと定義され、意図的な製造と大型プラスチックの断片化の両方によって生じます。ナノプラスチックによる廃棄物や汚染が海洋、生物全般、そして人の健康に与える影響への懸念が高まっており、分析の結果、この材料が毒性などの概念と共起していることが示されました。
また、ナノプラスチックは、環境からの除去や複合的な毒性効果という文脈で、銀や二酸化チタンといった他のナノ粒子とも共起していました。今後もナノプラスチックに関する研究関心と、環境浄化に向けたナノテクノロジー主導の解決策への期待は高まり続けるでしょう。
イノベーションはアイデアの交差点で生まれる
テクノロジーと専門家の知見を活用して文献から新たな概念を特定することは、影響力の大きい分野の研究状況をより深く理解する上で有益です。概念の共起を調査することで、これまで見過ごされていた重要なつながりが明らかになり、投資機会や、次なる重要なブレイクスルーにつながる新たな研究の方向性を特定する一助となります。
ナノテクノロジーの最新の発見については、CAS Insightsレポート、およびCAS OMEGAの記事「CAS OMEGA」の「Nanoscience in Action: Unveiling Emerging Trends in Materials and Applications（ナノサイエンスの実践：材料と応用の新たなトレンドを解明する）」をご覧ください。
