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《2021研究前沿》

 

12月8日，中國科學院與科睿唯安在北京向全球聯合發(fā)布了《2021研究前沿》報告，遴選和展示了11大學科領域中的110個熱點前沿和61個新興前沿。

 

本文中，小編挑選了化學與材料科學領域熱點前沿及重點熱點前沿解讀及新興前沿及重點新興前沿解讀，僅供參考。

 

一、熱點前沿及重點熱點前沿解讀

 

1.化學與材料科學領域 Top 10熱點前沿發(fā)展態(tài)勢

 

2021年化學與材料科學領域Top10 熱點前沿主要分布在有機合成、先進材料、生物化學等方面。與2013-2020年相比，2021年Top10 熱點前沿中超過半數的前沿屬于首次入選，即使曾經出現過的研究主題在今年其研究方向也發(fā)生了遷移。

 

在有機合成方面，氮雜環(huán)卡賓催化去年曾入選Top10 熱點研究前沿，2021年突出了光和氮雜環(huán)卡賓的協同催化；二氧化硫插入策略合成磺酰類功能分子、非共價相互作用（鹵鍵、硫鍵等）及不對稱合成軸手性化合物三個研究方向均是首次出現。

 

先進材料方面，鈣鈦礦材料的研究一直是近年來的熱點，2013-2020年主要研究其作為電池材料和光學晶體材料在太陽能電池和光電探測器領域的應用，2021年重點關注了其鐵電性質；基于水凝膠的應變傳感器曾是2020年的熱點前沿，2021年在其抗干燥、熱穩(wěn)定性及機械穩(wěn)定性等性能提升方面做了較多研究；電磁波吸收材料曾是2016 年的新興前沿，重點關注了具有殼核結構的電磁波材料，2021年重點關注了具有棒狀、花狀及層狀結構復合物對電磁波的吸收性能；無鉛儲能陶瓷曾是2020 年的熱點前沿，重點研究了無鉛鈣鈦礦鐵電儲能陶瓷材料，2021年重點關注了無鉛弛豫鐵電儲能陶瓷材料。

 

生物化學方面，化學動力學療法和光電化學生物傳感器均是首次入選研究前沿。

 

表1 化學與材料科學 Top 10 熱點前沿

 

 

 

圖1  化學與材料科學領域 Top10 熱點前沿的施引論文

 

2.重點熱點前沿——“非共價相互作用（鹵鍵、硫鍵等）”

 

鹵鍵、硫鍵等二次鍵是超分子的弱相互作用，通常被視為氫鍵相互作用的競爭性相互作用。作為非共價鍵研究領域的新范式，鹵鍵、硫鍵等二次鍵引發(fā)了分子間相互作用的新方向。借由這種新穎的分子間相互作用構筑的材料表現出獨特的熒光、磷光、磁性、液晶、超分子凝膠等特性，在光波導、傳感、催化和藥物發(fā)現等領域具有廣闊的應用前景，近年來成為化學與材料科學領域的熱點研究方向。

 

針對鹵素鍵的研究最早始于1814 年，Jean-Jacques Colin 制備了有史以來第一個具有金屬光澤的藍黑色鹵素鍵合復合物（I2···NH3）。針對硫鍵的研究則始于20世紀60年代?，F如今，鹵素鍵已在硅片和固態(tài)實驗中得到廣泛研究，溶液中的應用主要集中在陰離子識別和傳感、陰離子模板自組裝以及有機催化等領域。固相中，硫鍵已被用于納米結構的構建和復雜陣列的自組裝；近期在溶液中的應用主要利用分子內相互作用機理實現中間體構象或試劑的穩(wěn)定，用于陰離子識別和傳 輸以及有機合成和有機催化中。盡管對這些二次共價鍵的研究由來已久，但目前對支配這些相互作用的基本幾何和物理參數的研究和理解還處于初級階段，對其在超 分子構筑中所發(fā)揮的作用及在合成轉化、晶體工程、催化以及合成 / 構造功能材料中的應用的認識和實踐還需進一步的深化。本前沿反映了這些二次鍵在陰離子識別、晶體工程、非共價有機合成和有機催化中的理論和應用探索中的一些重要研究進展。

 

在本熱點前沿中，意大利米蘭理工大學等和英國牛津大學發(fā)表在《Chemical Reviews》上的關于鹵素鍵及其在超分子化學中的兩篇應用綜述論文分別獲得了 1462 次和625 次的引用（圖2）。

 

 

圖2“非共價相互作用（鹵鍵、硫鍵等）”研究前沿中核心論文的被引頻次分布曲線

 

如表3所示，英國、德國和西班牙等國家在此前沿發(fā)表了多篇高水平論文，中國參與了 2 篇核心論文的撰寫。核心論文 Top 機構中，來自英國的有2 家，包括牛津大學和愛丁堡大學，來自西班牙和瑞士的也各有 2 家。

 

表2“非共價相互作用（鹵鍵、硫鍵等）”研究前沿中核心論文的 Top 產出國家和機構

 

 

從施引論文角度看（表3），美國和中國是最活躍的國家，參與發(fā)表的施引論文數分別為 446 篇和 435 篇，遠超過其他國家，均處于印度和英國。在施引論文 Top10 機構中，有 3 家俄羅斯機構入選，俄羅斯科學院、圣彼得堡州立大學和南烏拉爾國立大學，其施引論文數分別位于第一、第三和第九位；法絕對領先地位。其次是德國、法國國家科學研究中心與俄羅斯科學院排名并列第一；中國科學院位列第四，在此前沿的施引論文數為82篇。

 

表3 “非共價相互作用（鹵鍵、硫鍵等）”研究前沿中施引論文的Top產出國家和機構

 

 

3.重點熱點前沿——“化學動力學療法”

 

化學動力學療法（ChemodynamicTherapy，CDT）是一類基于鐵基芬頓反應的新型腫瘤治療策略，2016 年由中國科學院上海硅酸鹽研究所首次提出。該策略基于非晶鐵納米顆粒在腫瘤微環(huán)境中先酸解離、再催化過氧化氫歧化的邏輯響應關系，在瘤內原位產生羥基自由基，導致腫瘤細胢線粒體不可逆的破壞、DNA鏈斷裂以及蛋白和膜的氧化，最終分解為生物安全的鐵離子，顯著提高腫瘤治療的特異性。為了進一步優(yōu)化 CDT治療效果，研究人員分別從納米催化劑的選擇 ( 鐵基/非鐵基、均相/非均相、有機/無機等 )，腫瘤微環(huán)境的調控 ( 降低瘤內 pH、增加反應底物 H?O?、減少抗氧化劑谷胱甘肽等)，外源能量場的輔助 (光、熱、超聲、電和磁場)等角度展開了詳細的研究。這一新興的治療手段不僅能夠直接殺滅腫瘤細胞，還可以與其他腫瘤治療策略(如化療)有機結合，共同提升抗腫瘤療效。

 

該熱點前沿中，中國科學院上海硅酸鹽研究所提出“化學動力學療法”概念的 2016 年發(fā)表的原創(chuàng)論文“Synthesis of Iron Nanometallic  Glasses and Their Application in C ancer The rapy by a Loc alized Fenton Reaction”獲得了最多的引用，被引308次。中國科學院上海硅酸鹽研究所與華東師范大 學在2019年聯合發(fā)表的綜述性論文 “Chemodynamic Therapy:Tumour Microenvironment-Mediated Fenton and Fenton-like Reactions”以及福州大學利用MnO? 基納米制劑同時輸送類 Fenton 離子和消耗谷胱甘肽以增強化療動力學治療的相關文章也獲得較多的引用，均被引287 次，這三篇論文均發(fā)表在《Angewandte Chemie-International Edition》上（圖3）。

 

 

圖3 “化學動力學療法”研究前沿中核心論文的被引頻次分布曲線

 

在該研究前沿中，中國表現最活躍，是核心論文的主要產出國家（表4）。美國和澳大利亞兩國也有少量核心論文產出。核心論文 Top 產出機構中，中國機構占了絕大多數，其中中國科學院發(fā)文量 32。美國和澳大利亞兩國最多，美國國立衛(wèi)生研究院和澳大利亞的墨爾本大學在此前沿也有產出。

 

表4“化學動力學療法”研究前沿中核心論文的 Top 產出國家和機構

 

 

從施引論文角度看（表5），該前沿獲得了中國學者的大量引用，貢獻了789篇施引論文，占施引論文總量的 81.8%，美國、新加坡和澳大利亞緊隨其后。施引論文排名前十的機構中，包括 9 家中國機構和一家美國機構-美國國立衛(wèi)生研究院。其中，中國科學院的施引論文最多，為231篇，約占施引論文總量的四分之一。

 

表5“化學動力學療法”研究前沿中施引論文的 Top 產出國家和機構

 

 

二、新興前沿及重點新興前沿解讀

 

1.新興前沿概述

 

在化學與材料科學領域共有 3 項研究入選新興前沿，1項聚焦化學原理在病毒檢測中的應用，即“化學傳感器在新型冠狀病毒檢測中的應用”；1項聚焦新型塑料的研發(fā)， 即“新型塑料 vitrimers 的制備和性質研究”；還有1項側重于海水淡化材料的研制，即“聚酰胺納米膜用于海水淡化”（表6）。這三個前沿方向均是首次進入新興研究前沿。

 

表6 化學與材料科學領域新興前沿

 

 

2 .重點新興前沿解讀——“化學傳感器在新型冠狀病毒檢測中的應用

 

新 冠 肺 炎（COVID-19）疫情肆虐全球，引發(fā)此次疫情的罪魁禍首是新型冠狀病毒 (SARS-CoV-2)。檢測新型冠狀病毒的傳感器是有效評估臨床進展和對感染嚴重程度或嚴重趨勢保持警惕的有力工具。由于新冠肺炎疫情期間要求提供頻繁、低成本、快速且大批量地檢測，靈敏度高且速度快的新型傳感器應運而生?；瘜W傳感器操作簡便、檢測成本低廉，且靈敏度和準確性也更高，為新冠肺炎疫情的防控和診斷提供了諸多有潛力的檢測方案。 

 

在本前沿中，瑞士聯邦理工學院和中國山東中醫(yī)藥大學聯合制備了帶有互補DNA受體的二維金納 米島（AuNIs）雙功能等離子體光熱生物傳感器，利用其等離子體光熱（PPT）效應和局部表面等離子體共振（LSPR） 傳感轉導功能，實現了對新型冠狀病毒選定序列的靈敏檢測。該方法的檢測下限低至 0.22μm，并允許在多基因混合物中精確檢測特定靶點。韓國基礎科學研究院利用在場效應晶體管的石墨烯片上涂覆一種針對新型冠狀病毒尖峰蛋白的特異性抗體的策略，制備成可靈敏檢測新型冠狀病毒的傳感器。美國馬里蘭大學基于金納米顆粒（AuNPs）的比色分析方法，開發(fā)出一種無需任何復雜的儀器技術，即可實現對新型冠狀病毒進行選擇性的“肉眼”檢測。如今，新冠疫情的形勢在全球多地仍不容樂觀?；诨瘜W技術制備更為靈敏、便捷的病毒傳感器仍將是化學和生物醫(yī)藥工作者的長期任務。