纳米技术共现分析

从基因治疗和药物递送，到能源生产和催化，纳米技术正在彻底改变许多科学领域。现在是投身纳米技术研究的黄金时期，但随着研究成果的激增，研究人员想要精准定位潜在的突破性进展也变得愈发困难。

我们近期探讨了一种分析CAS Content Collection™的创新方法。作为全球最大的人工标引科学文献库，该库为我们开发纳米技术概念的 CAS TrendScape™ 图谱提供了基础。这些图谱通过将相似概念进行聚类，以简洁易读的形式呈现了海量信息。我们的分析结合了自然语言处理（NLP）技术与人工标引，能够整合海量数据并揭示新兴研究领域。

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通过分析文献中概念的共现情况，我们可以进一步挖掘深层洞察，识别纳米材料与潜在应用之间极具前景的交叉点。这种方法有助于研究人员在复杂的创新格局中快速锁定新兴理念及其潜在价值。

CAS TrendScape 图谱如何识别关键概念

为了从宏观视角审视复杂且不断发展的纳米技术领域，我们的首要任务是梳理现有的已发表文献。通过定制的检索策略，我们在 CAS Content Collection 中识别出约 300 万篇与纳米技术相关的文献。随后，我们利用自然语言工具包 (NLTK)中的词干提取和词形还原技术，从标题和摘要中筛选出可能预示新兴课题的候选短语。

在应用了关于出版物增长率（即某课题当年发表文献数量与前一年之差）的附加参数，并完成大量人工标引工作后，我们绘制出了纳米尺度材料、应用和属性领域新兴概念的图形化表示（见图 1）。随后，我们重点关注应用和材料分支，以探索这些概念之间的具体共现关系。

__wf_reserved_inherit — **图 1：***近年来增长显著的纳米科学应用、材料和属性的 CAS TrendScape 图谱。来源：CAS Content Collection*

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基于 NLP 的分析揭示理念如何相互融合

为了理解 TrendScape 图谱中各概念之间的联系，我们进行了基于 NLP 的分析，统计了单个概念在期刊摘要同一句子中的共现次数。这使我们能够量化任意两个概念之间的关联程度。此外，由于我们分析的是句内共现，因此偶然共现的可能性被降至最低。

我们统计了文献标题和摘要中，某一主题的短语与另一主题的短语出现在同一句子中的次数。例如，如果某篇文献的摘要中，“太阳能电池”、“光伏”或“钙钛矿太阳能”与“纳米腔”出现在同一个句子中，则被计为“太阳能电池”和“纳米腔”这两个主题的一次共现。我们将此分析应用于 2019 年至 2022 年间的期刊和专利文献，从而筛选出最新的新兴概念。

图 2 中的图表显示了 2019 年至 2022 年间，术语对在同一句子中出现（x 轴）的平均文献数量，以及这些共现文献在同期内的平均增长率（y 轴）。为清晰起见，我们将组合分为两张图表，分别展示同一图谱内的概念共现（即两个术语均出现在应用图谱或材料图谱中），以及不同图谱间的术语共现。数据呈现的总体趋势是：出版频率相对较低的组合其增长率跨度很大，而随着出版数量的增加，增长率则呈现出长尾分布，即高出版量对应相对较低的增长率。

最引人注目的概念对可分为两类：一类是高增长率的概念对，反映了概念之间正在形成的新兴联系；另一类是文献数量多但增长率低的概念对，表明它们之间的联系已较为成熟。

一个快速增长的共现重要案例是疫苗与脂质纳米颗粒的频繁出现。这一组合的极高增长率归因于 2021-2022 年间大量关于新冠疫苗的出版物。在这一主题成为科学研究热点期间，相关概念的共现验证了我们的方法论。

Scatter plot showing growth rate versus number of documents with co-occurrence for application and material fields.

Nanotechnology field pairings plotted by document count against growth, 2019 to 2022. — **图 2：**2019-2022 年间，期刊摘要中同一句子内共现概念的平均年度增长率与出版物绝对数量对比。概念分为 (A) 同一 TrendScape 地图内和 (B) 不同 TrendScape 地图内。S/P/C 指合成、性质和表征概念。来源：CAS 内容合集

随着我们对共现概念的深入探索，我们发现了其他几个值得关注的新兴主题：

纳米发电机：纳米发电机（特别是摩擦纳米发电机和压电纳米发电机）是 CAS 应用 TrendScape 地图中确定的重要应用领域。这些装置通过两个表面相互作用（摩擦）或变形（压电）时的电荷分离，将运动转化为电能。它们在出版物中出现频率的增加，很可能是由于其在传感器和人机界面等可穿戴设备中的应用。

我们分析了哪些材料与这些应用共现最为频繁，发现纳米纤维和氧化锌与纳米发电机的关联最为显著，水凝胶的增长速度也很快（见图 3）。纳米纤维因其高比表面积、柔韧性以及通过静电纺丝合成定制化纳米纤维材料的可能性，在摩擦纳米发电机领域备受关注。

Scatter plot showing concepts co-occurring with nanogenerators by growth rate and number of documents, 2019-2022. — **图 3：***2019-2022 年间，与纳米发电机应用共现的术语的平均增长率与出版物数量对比。来源：CAS 内容合集*

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MXenes： MXenes 是一类研究兴趣显著增长的无机二维材料。其主要应用包括电催化、光催化和电池（见图 4）。MXenes 因其高比表面积、导电性以及通过改变表面官能团和/或将其与碳纳米管等其他纳米材料结合所展现出的多功能性，非常适合这些用途。随着能源转型的持续推进，催化和电池储能变得日益重要，MXenes 凭借其特性，可能在维持可再生能源方面发挥关键作用。从石墨烯复合电极到热能存储应用，MXenes 的形态、电学性质和可定制性意味着它们在未来几年将成为重要的概念。

Scatterplot showing concepts co-occurring with Mxenes by document number and growth rate from 2019 to 2022. — **图 4：***2019-2022 年间，与 MXenes 共现的术语的平均增长率与出版物数量对比。来源：CAS 内容合集。*

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纳米塑料： 纳米塑料通常定义为尺寸在 1 微米或以下的聚合物，它们既源于有意制造，也源于大型塑料的破碎。人们对纳米塑料垃圾和污染影响海洋、生物界及人类健康的担忧日益加剧，我们的分析显示，该材料与毒性等概念共现。

在环境修复和联合毒性效应的背景下，纳米塑料也与银和二氧化钛等其他纳米颗粒共现。我们预计，与纳米塑料及潜在的纳米技术驱动的环境修复解决方案相关的研究兴趣将持续增长。