Da terapia gênica e entrega de medicamentos à geração de energia e catálise, a nanotecnologia está revolucionando muitos campos científicos. É um momento empolgante para estar envolvido na pesquisa em nanotecnologia, mas, à medida que os estudos se proliferam, também se torna difícil para os pesquisadores individuais identificar possíveis avanços.
Recentemente, discutimos nossa metodologia inovadora para analisar a CAS Content Collection™, o maior repositório de publicações científicas com curadoria humana, para desenvolver mapas CAS TrendScape™ de conceitos de nanotecnologia. Esses mapas fornecem uma riqueza de informações em um formato condensado e fácil de ler, agrupando conceitos semelhantes. Nossa análise aproveitou técnicas de Processamento de Linguagem Natural (PLN) e curadoria humana para sintetizar grandes quantidades de dados e revelar áreas emergentes de pesquisa.
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Entre em contato com a equipe CASEsta análise pode ser estendida para obter insights mais profundos — ao examinar as coocorrências de conceitos na literatura, podemos identificar interseções promissoras de nanomateriais e aplicações potenciais. Essa abordagem ajuda os pesquisadores a identificar rapidamente ideias emergentes e sua relevância potencial em um cenário de inovação complexo.
Como os mapas CAS TrendScape identificam conceitos-chave
Para obter uma visão geral do campo complexo e crescente da nanotecnologia, nossa primeira tarefa foi identificar o corpo existente de literatura publicada. Usando uma consulta de pesquisa personalizada, identificamos cerca de 3 milhões de documentos relacionados à nanotecnologia na CAS Content Collection. Em seguida, usamos técnicas de pré-processamento de texto de stemming e lematização no Natural Language Toolkit (NLTK) para identificar frases candidatas em títulos e resumos que pudessem sinalizar tópicos emergentes.
Após aplicar parâmetros adicionais sobre a taxa de crescimento de publicações — a diferença no número de documentos publicados sobre um tópico em comparação com o ano anterior — e concluir uma extensa curadoria manual, produzimos uma representação gráfica de conceitos emergentes em materiais, aplicações e propriedades em nanoescala (veja a Figura 1). Em seguida, focamos nos ramos de aplicações e materiais para explorar coocorrências específicas entre os conceitos.
Uma análise baseada em PLN revela como as ideias se conectam
Para entender as conexões entre os conceitos no mapa TrendScape, realizamos uma análise baseada em PLN que conta o número de coocorrências de conceitos individuais nas mesmas frases de resumos de periódicos. Isso nos permitiu quantificar o grau de conexão entre quaisquer dois conceitos. Além disso, como analisamos a coocorrência dentro da mesma frase, a probabilidade de coocorrência acidental foi mantida baixa.
Contamos o número de títulos e resumos de documentos nos quais qualquer frase de um tópico apareceu na mesma frase que qualquer frase de outro tópico. Por exemplo, um documento onde o termo “células solares”, “fotovoltaicos” ou “solar de perovskita” apareceu na mesma frase do resumo que “nanocavidades” ou “nanocavidade” foi contado como uma coocorrência dos tópicos “células solares” e “nanocavidades”. Aplicamos essa análise a publicações de periódicos e patentes de 2019-2022 para que pudéssemos isolar os conceitos emergentes mais recentes.
Os gráficos na Figura 2 mostram o número médio de documentos publicados entre 2019 e 2022 onde pares de termos coocorrem na mesma frase (eixo x) e a taxa média de crescimento de documentos com essas coocorrências durante o mesmo período (eixo y). Para maior clareza, as combinações são separadas em duas figuras, mostrando a coocorrência de conceitos dentro dos mesmos mapas (ou seja, termos que aparecem tanto no mapa de aplicações quanto no mapa de materiais) e a coocorrência de termos em mapas diferentes. A tendência geral observada nestes dados é que existe uma ampla gama de taxas de crescimento para as combinações com frequência de publicação relativamente baixa, com uma longa cauda estendendo-se para números de publicação altos, mas taxas de crescimento relativamente baixas.
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."
