执行摘要
- 纳米技术是现代科学中最活跃且最具跨学科性质的研究领域之一。自2003年以来，CAS已收录了约300万篇涉及纳米尺度主题的期刊论文、专利、预印本及会议录，其应用涵盖药物递送、诊断、能源、环境修复和电子学等多个领域。
- 材料在纳米尺度下表现出的独特行为，包括极高的比表面积以及可调控的导电性、光学和催化性能，使研究人员能够通过调整尺寸、形状和成分来设计具有特定功能的粒子。
- 增长最快的应用领域包括：用于可穿戴传感器能量收集的纳米发电机、用于二氧化碳还原与捕集的催化技术、利用脂质体及其他载体的纳米颗粒疫苗、模拟天然酶的纳米酶，以及用于组织和器官3D生物打印的含纳米颗粒生物墨水。
- 在新兴材料方面，MXenes（适用于电池和催化的二维无机化合物）、共价有机框架（多孔聚合物催化剂）、用于药物和成像递送的纳米囊泡、木质素纳米药物载体以及用于水净化的生物炭，其研究产出均呈现出显著增长。
纳米技术与材料科学的创新
纳米科学是研究纳米尺度下材料与现象的学科，处于物理学、化学、生物学和工程学的交叉点，对众多行业具有深远影响。尺寸在1至100纳米之间的纳米颗粒正推动着该领域的研究。由于其潜在用途极其广泛，研究人员往往难以确定研究重点，也难以预判下一个突破点将出现在哪个领域。
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从药物递送到环境修复，纳米材料的应用前景似乎无穷无尽。这种广度为寻求理解最相关发现和重要新方向的研究人员带来了挑战。为了揭示纳米技术研究中最显著的趋势，我们将自然语言处理（NLP）与学科专家的广泛人工甄选相结合，应用于CAS Content CollectionTM——这是全球最大的经人工标引的科学出版物数据库。
这使我们能够开发出独特的纳米技术研究趋势与主题可视化工具，即CAS TrendScapeTM。通过深入了解纳米技术的演进方式，研究人员能够聚焦研究重点，借鉴同行经验，从而更快地实现创新。
纳米材料的优势
在纳米尺度下，材料表现出与宏观尺度截然不同的独特性能和行为。研究人员可以通过改变尺寸、形状和成分来定制其关键属性，以实现特定功能，或使其适用于电子、医药、能源和环境修复等领域的应用。
例如，纳米材料的高比表面积增强了催化活性、电荷存储能力和离子存储能力，这些特性在能量转换和存储应用中至关重要。在开发纳米材料时，研究人员可以设定其导电性、催化活性、光学性质、熔点、带隙等参数。这种定制属性的能力，结合其微小的尺寸，使纳米材料在生物医学应用（如药物递送和传感器）中极具价值。
纳米材料的CAS TrendScape
鉴于纳米材料的应用广泛，相关的研究出版物数量庞大——我们的分析显示，自2003年以来，已有300万篇期刊论文、专利、预印本和会议录涉及纳米尺度主题。面对如此庞大的数据量，依靠人工分析来发现趋势将是一项艰巨的任务。因此，我们利用NLP分析技术，更快速、高效地识别出文献中显著增长的概念，并将其呈现在CAS TrendScape图谱中。
CAS TrendScape 是一款实用的工具，能够让读者鸟瞰特定领域（本例中为纳米科学）的广阔图景。它通过将海量信息组织成结构化的层级，为该领域提供了一个易于阅读的可视化概览。
为了绘制这些图谱，我们的第一步是通过减少词形变化来简化关键词分析（例如，“dancing”、“dances”和“danced”在英语中是不同的词，但表达的是同一个概念）。随后，我们利用自然语言工具包 (NLTK) 对所有包含两到六个词的词序列（即 n-grams）进行了词干提取和词形还原等文本预处理。此外，我们仅考虑了在超过 100 篇文献中出现的短语。
这一过程将候选短语范围缩小至 30 万个左右。在此基础上，我们确定了每个短语每年的文献出现次数，并计算了其年度出版物增长率。出版物增长率高通常意味着该主题正受到越来越多的关注或投资。
我们的科学家团队重点对 2020 年至 2022 年间平均出版率最高的 20,000 个短语进行了深入的人工评估。通过这种方式，我们能够分析海量信息，从数百万篇文献中提炼出最活跃研究领域的清晰图景。最终成果即为 CAS TrendScape 可视化图谱，展示了各主题及其对应的出版物数量（见图 1、图 2 和图 4）。
纳米技术的新型应用
我们的分析揭示了几个重要的应用领域，它们因过去几年的相对增长和出版物数量而备受瞩目（见图 2）。
一个典型的例子是 纳米发电机，它通过两个表面相互作用或变形时产生的电荷分离，将运动转化为电能。文献中对其提及频率的增加，似乎是由其为传感器等可穿戴设备供电的能力所驱动的。
我们还观察到纳米材料在 催化 领域的研究，旨在将 CO2 还原为有用的化学品，或对其进行捕获和储存。CO2 还原通过电催化、光催化和多相热催化过程实现。
生命科学和生物医学应用也推动了纳米技术的显著增长，特别是在疫苗、纳米酶和生物墨水方面。基于纳米颗粒的疫苗是一个新兴研究领域，利用脂质体、纳米凝胶、胶束和其他纳米颗粒作为抗原和佐剂的递送载体。纳米疫苗作为抗癌免疫治疗制剂也具有重要价值。
纳米酶 是模拟天然酶的合成纳米结构，但其稳定性、可调的催化性能和大规模生产能力使其优于天然酶。含有纳米颗粒的生物墨水可用于 3D 生物打印，这一令人振奋的应用范围包括构建细胞培养支架和器官的 3D 打印。这些用例展示了纳米颗粒在生物医学领域的巨大潜力。
为了进一步直观展示对这些应用的关注度，我们根据它们自 2019 年以来的增长率进行了绘图（见图 3）。增长最快的概念位于左上角——这些概念在文献中被提及的次数较少，但增长率很高。出版物数量相对较少与出版物数量突然且快速增加之间的差距，可以作为新兴趋势的指标。增长率较低的成熟概念则位于右下角。
纳米技术中的关键材料
当我们更详细地审视 CAS TrendScape 的“材料”分支时，几个关键概念脱颖而出（见图 4）。
MXenes 是一类二维无机材料，因其在电催化、光催化和电池中的应用而备受关注。由于其高比表面积、导电性以及能够与其他纳米材料（如 碳纳米管）结合的能力，它们非常适合这些应用。
我们还观察到共价有机框架 (COFs) 作为纳米技术中的新兴材料。COFs 是由一种或多种共价键合的单体组成的二维和三维多孔聚合物网络，可作为催化剂。由于催化剂是纳米技术的关键应用，COFs 在该领域实现同步增长也就不足为奇了。
在生物医学应用方面，我们看到文献中涌现出多种材料。由脂质、聚合物、蛋白质或其组合构成的纳米囊泡，是递送治疗药物或成像造影剂的一个活跃研究领域。
两种用于纳米颗粒的天然材料也正受到越来越多的关注。首先是木质素，这是一种存在于植物细胞中的复杂有机聚合物，能提供结构支撑和刚性。木质素纳米颗粒可通过封装药物成分，用作药物递送载体。
第二种天然材料是生物炭，它由生物质热解而成。其最主要的应用是去除水中的污染物，包括重金属和有机物。通过金属或其他化学物质对生物炭进行改性，可以增强其吸附能力。
与我们对应用领域的分析类似，我们根据材料的增长率绘制了图表，以直观展示高增长的新兴课题和更为成熟的课题（见图 5）。
发掘关键信息
纳米材料研究的未来前景广阔，从能源到医药等领域的应用显然都将受益于纳米技术的突破。然而，材料科学研究的体量与多样性也表明，必须将技术与人类专业知识相结合，才能有效地识别趋势和新兴理念。
将自然语言处理（NLP）与人工筛选相结合，比单一方法更高效，且能提供更具相关性的答案。在纳米技术这样一个多元化的领域，剔除干扰并分析数百万份文档的能力至关重要。下一个突破性的应用或材料正隐藏在不断涌现的研究成果中，CAS 每天都在与创新者合作，运用知识管理专长和最新技术将其发掘出来。
欲了解更多信息，请参阅 ACS OMEGA 文章“Nanoscience in Action: Unveiling Emerging Trends in Materials and Applications”以及 ACS Applied Nano Materials 文章“Nanoscale Materials in Biomedical Applications of Sensors: Insights from a Comprehensive Landscape Analysis”。
