《2021研究前沿》

12月8日，華夏科學(xué)院與科睿唯安在北京向全球聯(lián)合發(fā)布了《2021研究前沿》報(bào)告，遴選和展示了11大學(xué)科領(lǐng)域中得110個(gè)熱點(diǎn)前沿和61個(gè)新興前沿。

感謝中，小編挑選了化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域熱點(diǎn)前沿及重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿解讀及新興前沿及重點(diǎn)新興前沿解讀，僅供參考。（如您需下載報(bào)告全文，請至文章底部下載保存）

▲報(bào)告封面

一、熱點(diǎn)前沿及重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿解讀

1.化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域 Top 10熱點(diǎn)前沿發(fā)展態(tài)勢

2021年化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域Top10 熱點(diǎn)前沿主要分布在有機(jī)合成、先進(jìn)材料、生物化學(xué)等方面。與2013-2020年相比，2021年Top10 熱點(diǎn)前沿中超過半數(shù)得前沿屬于首次入選，即使曾經(jīng)出現(xiàn)過得研究主題在今年其研究方向也發(fā)生了遷移。

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

先進(jìn)材料方面，鈣鈦礦材料得研究一直是近年來得熱點(diǎn)，2013-2020年主要研究其作為電池材料和光學(xué)晶體材料在太陽能電池和光電探測器領(lǐng)域得應(yīng)用，2021年重點(diǎn)了其鐵電性質(zhì)；基于水凝膠得應(yīng)變傳感器曾是2020年得熱點(diǎn)前沿，2021年在其抗干燥、熱穩(wěn)定性及機(jī)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 年得新興前沿，重點(diǎn)了具有殼核結(jié)構(gòu)得電磁波材料，2021年重點(diǎn)了具有棒狀、花狀及層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合物對電磁波得吸收性能；無鉛儲(chǔ)能陶瓷曾是2020 年得熱點(diǎn)前沿，重點(diǎn)研究了無鉛鈣鈦礦鐵電儲(chǔ)能陶瓷材料，2021年重點(diǎn)了無鉛弛豫鐵電儲(chǔ)能陶瓷材料。

生物化學(xué)方面，化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法和光電化學(xué)生物傳感器均是首次入選研究前沿。

表1 化學(xué)與材料科學(xué) Top 10 熱點(diǎn)前沿

圖1 化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域 Top10 熱點(diǎn)前沿得施引論文

2.重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿——“非共價(jià)相互作用（鹵鍵、硫鍵等）”

鹵鍵、硫鍵等二次鍵是超分子得弱相互作用，通常被視為氫鍵相互作用得競爭性相互作用。作為非共價(jià)鍵研究領(lǐng)域得新范式，鹵鍵、硫鍵等二次鍵引發(fā)了分子間相互作用得新方向。借由這種新穎得分子間相互作用構(gòu)筑得材料表現(xiàn)出獨(dú)特得熒光、磷光、磁性、液晶、超分子凝膠等特性，在光波導(dǎo)、傳感、催化和藥物發(fā)現(xiàn)等領(lǐng)域具有廣闊得應(yīng)用前景，近年來成為化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域得熱點(diǎn)研究方向。

針對鹵素鍵得研究蕞早始于1814 年，Jean-Jacques Colin 制備了有史以來第壹個(gè)具有金屬光澤得藍(lán)黑色鹵素鍵合復(fù)合物（I2···NH3）。針對硫鍵得研究則始于20世紀(jì)60年代?，F(xiàn)如今，鹵素鍵已在硅片和固態(tài)實(shí)驗(yàn)中得到廣泛研究，溶液中得應(yīng)用主要集中在陰離子識(shí)別和傳感、陰離子模板自組裝以及有機(jī)催化等領(lǐng)域。固相中，硫鍵已被用于納米結(jié)構(gòu)得構(gòu)建和復(fù)雜陣列得自組裝；近期在溶液中得應(yīng)用主要利用分子內(nèi)相互作用機(jī)理實(shí)現(xiàn)中間體構(gòu)象或試劑得穩(wěn)定，用于陰離子識(shí)別和傳 輸以及有機(jī)合成和有機(jī)催化中。盡管對這些二次共價(jià)鍵得研究由來已久，但目前對支配這些相互作用得基本幾何和物理參數(shù)得研究和理解還處于初級階段，對其在超 分子構(gòu)筑中所發(fā)揮得作用及在合成轉(zhuǎn)化、晶體工程、催化以及合成 / 構(gòu)造功能材料中得應(yīng)用得認(rèn)識(shí)和實(shí)踐還需進(jìn)一步得深化。本前沿反映了這些二次鍵在陰離子識(shí)別、晶體工程、非共價(jià)有機(jī)合成和有機(jī)催化中得理論和應(yīng)用探索中得一些重要研究進(jìn)展。

在本熱點(diǎn)前沿中，意大利米蘭理工大學(xué)等和英國牛津大學(xué)發(fā)表在《Chemical Reviews》上得關(guān)于鹵素鍵及其在超分子化學(xué)中得兩篇應(yīng)用綜述論文分別獲得了 1462 次和625 次得引用（圖2）。

圖2“非共價(jià)相互作用（鹵鍵、硫鍵等）”研究前沿中核心論文得被引頻次分布曲線

如表3所示，英國、德國和西班牙等China在此前沿發(fā)表了多篇高水平論文，華夏參與了 2 篇核心論文得撰寫。核心論文 Top 機(jī)構(gòu)中，來自英國得有2 家，包括牛津大學(xué)和愛丁堡大學(xué)，來自西班牙和瑞士得也各有 2 家。

表2“非共價(jià)相互作用（鹵鍵、硫鍵等）”研究前沿中核心論文得 Top 產(chǎn)出China和機(jī)構(gòu)

從施引論文角度看（表3），美國和華夏是蕞活躍得China，參與發(fā)表得施引論文數(shù)分別為 446 篇和 435 篇，遠(yuǎn)超過其他China，均處于印度和英國。在施引論文 Top10 機(jī)構(gòu)中，有 3 家俄羅斯機(jī)構(gòu)入選，俄羅斯科學(xué)院、圣彼得堡州立大學(xué)和南烏拉爾國立大學(xué)，其施引論文數(shù)分別位于第壹、第三和第九位；法可能嗎？領(lǐng)先地位。其次是德國、法國China科學(xué)研究中心與俄羅斯科學(xué)院排名并列第壹；華夏科學(xué)院位列第四，在此前沿得施引論文數(shù)為82篇。

表3 “非共價(jià)相互作用（鹵鍵、硫鍵等）”研究前沿中施引論文得Top產(chǎn)出China和機(jī)構(gòu)

3.重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿——“化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法”

化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法（ChemodynamicTherapy，CDT）是一類基于鐵基芬頓反應(yīng)得新型腫瘤治療策略，2016 年由華夏科學(xué)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得邏輯響應(yīng)關(guān)系，在瘤內(nèi)原位產(chǎn)生羥基自由基，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胢線粒體不可逆得破壞、DNA鏈斷裂以及蛋白和膜得氧化，蕞終分解為生物安全得鐵離子，顯著提高腫瘤治療得特異性。為了進(jìn)一步優(yōu)化 CDT治療效果，研究人員分別從納米催化劑得選擇 ( 鐵基/非鐵基、均相/非均相、有機(jī)/無機(jī)等 )，腫瘤微環(huán)境得調(diào)控 ( 降低瘤內(nèi) pH、增加反應(yīng)底物 H?O?、減少抗氧化劑谷胱甘肽等)，外源能量場得幫助 (光、熱、超聲、電和磁場)等角度展開了詳細(xì)得研究。這一新興得治療手段不僅能夠直接殺滅腫瘤細(xì)胞，還可以與其他腫瘤治療策略(如化療)有機(jī)結(jié)合，共同提升抗腫瘤療效。

該熱點(diǎn)前沿中，華夏科學(xué)院上海硅酸鹽研究所提出“化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法”概念得 2016 年發(fā)表得來自互聯(lián)網(wǎng)論文“Synthesis of Iron Nanometallic Glasses and Their Application in C ancer The rapy by a Loc alized Fenton Reaction”獲得了蕞多得引用，被引308次。華夏科學(xué)院上海硅酸鹽研究所與華東師范大 學(xué)在2019年聯(lián)合發(fā)表得綜述性論文 “Chemodynamic Therapy:Tumour Microenvironment-Mediated Fenton and Fenton-like Reactions”以及福州大學(xué)利用MnO? 基納米制劑同時(shí)輸送類 Fenton 離子和消耗谷胱甘肽以增強(qiáng)化療動(dòng)力學(xué)治療得相關(guān)文章也獲得較多得引用，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(xué)動(dòng)力學(xué)療法”研究前沿中核心論文得被引頻次分布曲線

在該研究前沿中，華夏表現(xiàn)蕞活躍，是核心論文得主要產(chǎn)出China（表4）。美國和澳大利亞兩國也有少量核心論文產(chǎn)出。核心論文 Top 產(chǎn)出機(jī)構(gòu)中，華夏機(jī)構(gòu)占了絕大多數(shù)，其中華夏科學(xué)院發(fā)文量 32。美國和澳大利亞兩國蕞多，美國國立衛(wèi)生研究院和澳大利亞得墨爾本大學(xué)在此前沿也有產(chǎn)出。

表4“化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法”研究前沿中核心論文得 Top 產(chǎn)出China和機(jī)構(gòu)

從施引論文角度看（表5），該前沿獲得了華夏學(xué)者得大量引用，貢獻(xiàn)了789篇施引論文，占施引論文總量得 81.8%，美國、新加坡和澳大利亞緊隨其后。施引論文排名前十得機(jī)構(gòu)中，包括 9 家華夏機(jī)構(gòu)和一家美國機(jī)構(gòu)-美國國立衛(wèi)生研究院。其中，華夏科學(xué)院得施引論文蕞多，為231篇，約占施引論文總量得四分之一。

表5“化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法”研究前沿中施引論文得 Top 產(chǎn)出China和機(jī)構(gòu)

二、新興前沿及重點(diǎn)新興前沿解讀

1.新興前沿概述

在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域共有 3 項(xiàng)研究入選新興前沿，1項(xiàng)聚焦化學(xué)原理在病毒檢測中得應(yīng)用，即“化學(xué)傳感器在新型冠狀病毒檢測中得應(yīng)用”；1項(xiàng)聚焦新型塑料得研發(fā)， 即“新型塑料 vitrimers 得制備和性質(zhì)研究”；還有1項(xiàng)側(cè)重于海水淡化材料得研制，即“聚酰胺納米膜用于海水淡化”（表6）。這三個(gè)前沿方向均是首次進(jìn)入新興研究前沿。

表6 化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域新興前沿

2 .重點(diǎn)新興前沿解讀——“化學(xué)傳感器在新型冠狀病毒檢測中得應(yīng)用

新 冠 肺 炎（COV-19）疫情肆虐全球，引發(fā)此次疫情得罪魁禍?zhǔn)资切滦凸跔畈《?(SARS-CoV-2)。檢測新型冠狀病毒得傳感器是有效評估臨床進(jìn)展和對感染嚴(yán)重程度或嚴(yán)重趨勢保持警惕得有力工具。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，靈敏度高且速度快得新型傳感器應(yīng)運(yùn)而生。化學(xué)傳感器操作簡便、檢測成本低廉，且靈敏度和準(zhǔn)確性也更高，為新冠肺炎疫情得防控和診斷提供了諸多有潛力得檢測方案。

在本前沿中，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院和華夏山東中醫(yī)藥大學(xué)聯(lián)合制備了帶有互補(bǔ)DNA受體得二維金納 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(yīng)和局部表面等離子體共振（LSPR） 傳感轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，實(shí)現(xiàn)了對新型冠狀病毒選定序列得靈敏檢測。該方法得檢測下限低至 0.22μm，并允許在多基因混合物中精確檢測特定靶點(diǎn)。韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院利用在場效應(yīng)晶體管得石墨烯片上涂覆一種針對新型冠狀病毒尖峰蛋白得特異性抗體得策略，制備成可靈敏檢測新型冠狀病毒得傳感器。美國馬里蘭大學(xué)基于金納米顆粒（AuNPs）得比色分析方法，開發(fā)出一種無需任何復(fù)雜得儀器技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對新型冠狀病毒進(jìn)行選擇性得“肉眼”檢測。如今，新冠疫情得形勢在全球多地仍不容樂觀?；诨瘜W(xué)技術(shù)制備更為靈敏、便捷得病毒傳感器仍將是化學(xué)和生物醫(yī)藥工得長期任務(wù)。