유전자 치료와 약물 전달부터 에너지 생성 및 촉매 작용에 이르기까지, 나노기술은 혁신을 일으키고 있습니다 많은 과학 분야에서 말이죠. 지금은 나노기술 연구에 참여하기에 매우 흥미로운 시기이지만, 연구가 급증함에 따라 개별 연구자가 잠재적인 돌파구를 찾아내기는 점점 더 어려워지고 있습니다.
최근 저희는 논의한 바 있습니다 나노기술 개념의 CAS TrendScape™ 맵을 개발하기 위해 CAS Content Collection™을 분석하는 새로운 방법론에 대해, 이는 인간이 직접 큐레이션한 최대 규모의 과학 출판물 저장소입니다. 이 맵은 유사한 개념을 그룹화하여 방대한 정보를 간결하고 읽기 쉬운 형식으로 제공합니다. 저희 분석은 자연어 처리(NLP) 기술과 인간의 큐레이션을 활용하여 방대한 데이터를 종합하고 새로운 연구 분야를 밝혀냈습니다.
정리되지 않은 데이터 때문에 기회를 놓치고 계신가요? 모든 데이터를 연결하고 그 잠재력을 최대한 활용하는 방법을 알아보십시오.
CAS 팀에 문의하기이 분석은 더 깊은 통찰력을 얻기 위해 확장될 수 있습니다. 문헌 내 개념들의 동시 출현을 조사함으로써 나노물질과 잠재적 응용 분야 간의 유망한 교차점을 식별할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 연구자가 복잡한 혁신 환경에서 새로운 아이디어와 그 잠재적 관련성을 신속하게 파악하도록 돕습니다.
CAS TrendScape 맵이 핵심 개념을 식별하는 방법
복잡하고 성장하는 나노기술 분야의 전체적인 지형을 파악하기 위해, 저희의 첫 번째 과제는 기존에 출판된 문헌을 식별하는 것이었습니다. 맞춤형 검색 쿼리를 사용하여 CAS Content Collection에서 나노기술과 관련된 약 300만 건의 문서를 식별했습니다. 그런 다음 Natural Language Toolkit (NLTK)의 어간 추출 및 표제어 추출 텍스트 전처리 기술을 사용하여 제목과 초록에서 새로운 주제를 나타낼 수 있는 후보 구문을 식별했습니다.
출판 성장률(전년 대비 특정 주제에 대해 출판된 문서 수의 차이)에 관한 추가 매개변수를 적용하고 광범위한 수동 큐레이션을 완료한 후, 나노 규모의 재료, 응용 분야 및 특성에 관한 새로운 개념을 그래픽으로 표현했습니다(그림 1 참조). 그런 다음 응용 분야 및 재료 분야에 집중하여 개념 간의 구체적인 동시 출현을 탐색했습니다.
NLP 기반 분석을 통해 아이디어가 결합되는 방식 확인
TrendScape 맵의 개념 간 연결을 이해하기 위해, 저널 초록의 동일한 문장에서 개별 개념이 동시 출현하는 횟수를 계산하는 NLP 기반 분석을 수행했습니다. 이를 통해 두 개념 간의 연결 정도를 정량화할 수 있었습니다. 또한 문장 내 동시 출현을 분석했기 때문에 우연한 동시 출현 가능성을 낮게 유지했습니다.
한 주제의 구문이 다른 주제의 구문과 동일한 문장에 나타나는 문서 제목 및 초록의 수를 계산했습니다. 예를 들어, "태양 전지(solar cells)", "광전지(photovoltaics)", "페로브스카이트 태양광(perovskite solar)"이라는 용어가 "나노공동(nanocavities)" 또는 "나노공동(nanocavity)"과 동일한 초록 문장에 나타나는 문서는 "태양 전지"와 "나노공동"이라는 주제의 동시 출현으로 간주되었습니다. 가장 최근에 떠오르는 개념을 분리하기 위해 2019년부터 2022년까지의 저널 및 특허 출판물에 이 분석을 적용했습니다.
그림 2의 플롯은 2019년에서 2022년 사이에 용어 쌍이 동일한 문장에 동시 출현한 문서의 평균 수(x축)와 같은 기간 동안 해당 동시 출현 문서의 평균 성장률(y축)을 보여줍니다. 명확성을 위해 조합을 두 개의 그림으로 분리하여 동일한 맵 내에서의 개념 동시 출현(즉, 응용 맵이나 재료 맵 모두에 나타나는 용어)과 서로 다른 맵에서의 용어 동시 출현을 보여줍니다. 이 데이터에서 관찰되는 일반적인 추세는 출판 빈도가 상대적으로 낮은 조합의 경우 성장률의 범위가 매우 넓으며, 출판 수는 많지만 성장률은 상대적으로 낮은 긴 꼬리 형태를 보인다는 것입니다.
The most interesting concept pairs fell into two categories: pairs with a high growth rate, which shows emerging connections between concepts, and pairs with a high number of documents but a low growth rate, suggesting they are more well-established connections.
One important example of a fast-growing co-occurrence is where vaccines and lipid nanoparticles appear prominently. The exceptionally high growth rate of this combination is attributed to the large number of publications relating to COVID-19 vaccines in 2021-2022. The co-occurrence of concepts relating to vaccines at the time this topic was dominant in scientific research helped to validate our methodology.
As we explored co-occurring concepts more deeply, we revealed several other notable emerging topics:
- Nanogenerators: Nanogenerators, specifically triboelectric and piezoelectric nanogenerators, are an important application identified in the CAS TrendScape map of applications. These devices generate electricity from motion through charge separation when two surfaces interact (tribo) or deform (piezo). Their growing frequency in publications is likely due to their use in wearable devices such as sensors and human-machine interfaces.
We analyzed which materials co-occur most often with these applications, and we found that nanofibers and zinc oxide are most prominently associated with nanogenerators, with hydrogels growing quickly as well (see Figure 3). Nanofibers are of particular interest with triboelectric nanogenerators because of their high surface area, flexibility, and the possibility of synthesizing customized nanofiber materials using electrospinning.
- MXenes: MXenes are a class of inorganic 2D materials showing significant growth in research interest. Their main applications include electrocatalysis, photocatalysis, and batteries (see Figure 4). MXenes are well suited to these uses because of their high surface area, conductivity, and versatility by altering their surface functionality and/or combining them with other nanoscale materials such as carbon nanotubes. As the energy transition continues and catalysis and battery energy storage become increasingly important, MXenes may play a key role in maintaining renewable energy sources due to their properties. From composite electrodes with graphene to thermal energy storage applications, MXenes’ morphology, electrical properties, and customizability mean they will be important concepts for years to come.
- Nanoplastics: Nanoplastics are typically defined as polymers being 1 µm or less in size, and they are the result of both intentional manufacturing and the fragmentation of larger plastics. Concerns are growing over nanoplastic waste and pollution impacting the oceans, biological life in general, and human health, and our analysis showed this material co-occurring with concepts including toxicity.
Nanoplastics also co-occurred with other nanoparticles including silver and titanium dioxide in the context of removal from the environment and combined toxic effects. We expect to see continued growth in research interest relating to nanoplastics and potential nanotechnology-driven solutions for environmental remediation.
Innovation happens at the intersection of ideas
Leveraging technology and human expertise to identify emerging concepts in the literature is valuable for better understanding the research landscape in high-impact areas. Examining concept co-occurrence can reveal critical, otherwise unseen connections that help innovators identify investment opportunities and potential new research directions that could lead to the next important breakthrough.
Read more about the latest nanotechnology discoveries in our CAS Insights Report. and in the CAS OMEGA article, "Nanoscience in Action: Unveiling Emerging Trends in Materials and Applications."
