《2021研究前沿》
12月8日，中國科大學與科睿唯安在上海向全球聯合發布了《2021研究前沿》報告，選聘和展示了11大學科領域中的110個熱點前沿和61個新興前沿。
本文中，小編選購了物理與材料科學領域熱點前沿及重點熱點前沿剖析及新興前沿及重點新興前沿剖析，僅供參考。（如您需下載報告全文，請至文章頂部下載保存）
▲報告封面
一、熱點前沿及重點熱點前沿剖析
1.物理與材料科學領域Top10熱點前沿發展態勢
2021年物理與材料科學領域Top10熱點前沿主要分布在有機合成、先進材料、生物物理等方面。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上榜，雖然以前出現過的研究主題在去年其研究方向也發生了遷移。
在有機合成方面，氮配體卡賓催化今年曾入圍Top10熱點研究前沿，2021年突出了光和氮配體卡賓的協同催化；二氧化碳插入策略合成磺酰類功能分子、非共價互相作用（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，砷化鎵材料的研究仍然是近些年來的熱點，2013-2020年主要研究其作為電瓶材料和光學晶體材料在太陽能電板和光電偵測器領域的應用，2021年重點關注了其鐵電性質；基于水凝膠的應變傳感曾是2020年的熱點前沿，2021年在其抗干燥、熱穩定性及機械穩定性等性能提高方面做了較多研究；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年重點關注了具有針狀、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，重點研究了無鉛砷化鎵鐵電儲能陶瓷材料，2021年重點關注了無鉛弛豫鐵電儲能陶瓷材料。
生物物理方面，物理動力學療法和光電物理生物傳感均是首次入圍研究前沿。
表1物理與材料科學Top10熱點前沿
圖1物理與材料科學領域Top10熱點前沿的施引論文
2.重點熱點前沿——“非共價互相作用（鹵鍵、硫鍵等）”
鹵鍵、硫鍵等二次鍵是超分子的弱互相作用，一般被視為官能團互相作用的競爭性互相作用。作為非共價鍵研究領域的新范式，鹵鍵、硫鍵等二次鍵引起了分子間互相作用的新方向。借由這些新穎的分子間互相作用打造的材料表現出獨到的螢光、磷光、磁性、液晶、超分子凝膠等特點，在光波導、傳感、催化和抗生素發覺等領域具有寬廣的應用前景，近些年來成為物理與材料科學領域的熱點研究方向。
針對鹵素鍵的研究最早源于1814年，Jean-Colin制備了有史以來第一個具有金屬光澤的藍色鹵素鍵合復合物（I2···NH3）。針對硫鍵的研究則源于20世紀60年代。現現在，鹵素鍵已在晶圓和固態實驗中得到廣泛研究，濾液中的應用主要集中在陰離子辨識和傳感器、陰離子模板自組裝以及有機催化等領域。液相中，硫鍵已被用于納米結構的完善和復雜陣列的自組裝；近日在氨水中的應用主要借助分子內互相作用機理實現中間體構型或試劑的穩定，用于陰離子辨識和傳輸以及有機合成和有機催化中。雖然對這種二次共價鍵的研究來歷已久，但目前對支配這種互相作用的基本幾何和數學參數的研究和理解還處于中級階段，對其在超分子構建中所發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推進。本前沿反映了這種二次鍵在陰離子辨識、晶體工程、非共價有機合成和有機催化中的理論和應用探求中的一些重要研究進展。
在本熱點前沿中，西班牙瓦倫西亞理工學院等和日本牛津學院發表在《》上的關于鹵素鍵及其在超分子物理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“非共價互相作用（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，法國、德國和英國等國家在此前沿發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，來自美國的有2家，包括牛津學院和蒙特利爾學院，來自英國和愛爾蘭的也各有2家。
表2“非共價互相作用（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），印度和中國是最活躍的國家，參與發表的施引論文數分別為446篇和435篇，遠超過其他國家，均處于美國和新西蘭。在施引論文Top10機構中，有3家美國機構上榜，美國科大學、圣彼得堡州立學院和南烏拉爾國立學院，其施引論文數分別坐落第一、第三和第九位；法絕對領先地位。其次是英國、法國國家科學研究中心與美國科大學排行并列第一；中國科大學位列第四，在此前沿的施引論文數為82篇。
表3“非共價互相作用（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”
物理動力學療法（，CDT）是一類基于鐵基芬頓反應的新型癌癥醫治策略，2016年由中國科大學北京硅酸鹽研究所首次提出。該策略基于非晶鐵納米顆粒在癌癥微環境中先酸解離、再催化胺基化氫歧化的邏輯響應關系，在瘤內原位形成烷基自由基，造成癌癥細胢線粒體不可逆的破壞、DNA鏈破裂以及蛋白和膜的氧化，最終分解為生物安全的鐵離子，明顯提升癌癥醫治的特異性。為了進一步優化CDT醫治療效，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)物理化學研究什么，癌癥微環境的調控(增加瘤內pH、增加反應底物H?O?、減少抗氧化劑蘆丁等)，外源能量場的輔助(光、熱、超聲、電和磁場)等角度展開了詳盡的研究。這一新興的醫治手段除了就能直接殺滅癌癥細胞，還可以與其他癌癥醫治策略(如放療)有機結合，共同提高抗肺癌效果。
該熱點前沿中，中國科大學北京硅酸鹽研究所提出“化學動力學療法”概念的2016年發表的原創論文“ofIronandTheirinCancerTherapybyaLoc”獲得了最多的引用，被引308次。中國科大學北京硅酸鹽研究所與華中師范大學在2019年聯合發表的綜述性論文“:-and-like”以及福建學院借助MnO?基納米劑型同時輸送類離子和消耗蘆丁以提高放療動力學醫治的相關文章也獲得較多的引用，均被引287次，這三篇論文均發表在《-》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，中國表現最活躍物理化學研究什么，是核心論文的主要產出國家（表4）。英國和法國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，其中中國科大學發文量32。英國和法國兩國最多，日本國立衛生研究院和美國的舊金山學院在此前沿也有產出。
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，占施引論文總數的81.8%，日本、新加坡和馬來西亞緊跟其后。施引論文排行前十的機構中，包括9屋內國機構和一家美國機構-日本國立衛生研究院。其中，中國科大學的施引論文最多，為231篇，約占施引論文總數的四分之一。
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剖析
1.新興前沿概述
在物理與材料科學領域共有3項研究榮獲新興前沿，1項聚焦物理原理在病毒檢查中的應用，即“化學傳感在新型冠狀病毒檢查中的應用”；1項聚焦新型塑膠的研制，即“新型塑膠的制備和性質研究”；還有1項著重于海水淡化材料的研發，即“聚丙酯納米膜用于海水淡化”（表6）。這三個前沿方向均是首次步入新興研究前沿。
表6物理與材料科學領域新興前沿
2.重點新興前沿剖析——“化學傳感在新型冠狀病毒檢查中的應用
新冠肺炎（COVID-19）疫情席卷全球，引起這次疫情的罪魁元兇是新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)。檢查新型冠狀病毒的傳感是有效評估臨床進展和對感染嚴重程度或嚴重趨勢保持提防的有力工具。因為新冠腦炎疫情期間要求提供頻繁、低成本、快速且大批量地測量，靈敏度高且速率快的新型傳感應運而生。物理傳感操作簡便、檢測成本低廉，且靈敏度和確切性也更高，為新冠腦炎疫情的防治和確診提供了眾多有潛力的測量方案。
在本前沿中，德國聯邦理工大學和中國甘肅中醫藥學院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，借助其等離子體光熱（PPT）效應和局部表面等離子體共振（LSPR）傳感器轉導功能，實現了對新型冠狀病毒選取序列的靈敏檢查。該技巧的測量下限低至0.22μm，并準許在多基因混和物中精確測量特定靶向。俄羅斯基礎科學研究院借助在場效應晶體管的石墨烯片上刻蝕一種針對新型冠狀病毒尖峰蛋白的特異性抗原的策略，制備成可靈敏檢查新型冠狀病毒的傳感。英國普利茅斯學院基于金納米顆粒（AuNPs）的比色剖析方式，開發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。現在，新冠疫情的形勢在全球多地仍不容豁達。基于物理技術制備更為靈敏、便捷的病毒傳感仍將是物理和生物醫藥工作者的常年任務。