《2021研究前沿》
12月8日，中国科大学与科睿唯安在上海向全球联合发布了《2021研究前沿》报告，选聘和展示了11大学科领域中的110个热点前沿和61个新兴前沿。
本文中，小编选购了物理与材料科学领域热点前沿及重点热点前沿剖析及新兴前沿及重点新兴前沿剖析，仅供参考。（如您需下载报告全文，请至文章顶部下载保存）
▲报告封面
一、热点前沿及重点热点前沿剖析
1.物理与材料科学领域Top10热点前沿发展态势
2021年物理与材料科学领域Top10热点前沿主要分布在有机合成、先进材料、生物物理等方面。与2013-2020年相比，2021年Top10热点前沿中超过半数的前沿属于首次上榜，虽然以前出现过的研究主题在去年其研究方向也发生了迁移。
在有机合成方面，氮配体卡宾催化今年曾入围Top10热点研究前沿，2021年突出了光和氮配体卡宾的协同催化；二氧化碳插入策略合成磺酰类功能分子、非共价互相作用（卤键、硫键等）及不对称合成轴手性化合物三个研究方向均是首次出现。
先进材料方面，砷化镓材料的研究仍然是近些年来的热点，2013-2020年主要研究其作为电瓶材料和光学晶体材料在太阳能电板和光电侦测器领域的应用，2021年重点关注了其铁电性质；基于水凝胶的应变传感曾是2020年的热点前沿，2021年在其抗干燥、热稳定性及机械稳定性等性能提高方面做了较多研究；电磁波吸收材料曾是2016年的新兴前沿，重点关注了具有壳核结构的电磁波材料，2021年重点关注了具有针状、花状及层状结构复合物对电磁波的吸收性能；无铅储能陶瓷曾是2020年的热点前沿，重点研究了无铅砷化镓铁电储能陶瓷材料，2021年重点关注了无铅弛豫铁电储能陶瓷材料。
生物物理方面，物理动力学疗法和光电物理生物传感均是首次入围研究前沿。
表1物理与材料科学Top10热点前沿
图1物理与材料科学领域Top10热点前沿的施引论文
2.重点热点前沿——“非共价互相作用（卤键、硫键等）”
卤键、硫键等二次键是超分子的弱互相作用，一般被视为官能团互相作用的竞争性互相作用。作为非共价键研究领域的新范式，卤键、硫键等二次键引起了分子间互相作用的新方向。借由这些新颖的分子间互相作用打造的材料表现出独到的萤光、磷光、磁性、液晶、超分子凝胶等特点，在光波导、传感、催化和抗生素发觉等领域具有宽广的应用前景，近些年来成为物理与材料科学领域的热点研究方向。
针对卤素键的研究最早源于1814年，Jean-Colin制备了有史以来第一个具有金属光泽的蓝色卤素键合复合物（I2···NH3）。针对硫键的研究则源于20世纪60年代。现现在，卤素键已在晶圆和固态实验中得到广泛研究，滤液中的应用主要集中在阴离子辨识和传感器、阴离子模板自组装以及有机催化等领域。液相中，硫键已被用于纳米结构的完善和复杂阵列的自组装；近日在氨水中的应用主要借助分子内互相作用机理实现中间体构型或试剂的稳定，用于阴离子辨识和传输以及有机合成和有机催化中。虽然对这种二次共价键的研究来历已久，但目前对支配这种互相作用的基本几何和数学参数的研究和理解还处于中级阶段，对其在超分子构建中所发挥的作用及在合成转化、晶体工程、催化以及合成/构造功能材料中的应用的认识和实践还需进一步的推进。本前沿反映了这种二次键在阴离子辨识、晶体工程、非共价有机合成和有机催化中的理论和应用探求中的一些重要研究进展。
在本热点前沿中，西班牙瓦伦西亚理工学院等和日本牛津学院发表在《》上的关于卤素键及其在超分子物理中的两篇应用综述论文分别获得了1462次和625次的引用（图2）。
图2“非共价互相作用（卤键、硫键等）”研究前沿中核心论文的被引频次分布曲线
如表3所示，法国、德国和英国等国家在此前沿发表了多篇高水平论文，中国参与了2篇核心论文的撰写。核心论文Top机构中，来自美国的有2家，包括牛津学院和蒙特利尔学院，来自英国和爱尔兰的也各有2家。
表2“非共价互相作用（卤键、硫键等）”研究前沿中核心论文的Top产出国家和机构
从施引论文角度看（表3），印度和中国是最活跃的国家，参与发表的施引论文数分别为446篇和435篇，远超过其他国家，均处于美国和新西兰。在施引论文Top10机构中，有3家美国机构上榜，美国科大学、圣彼得堡州立学院和南乌拉尔国立学院，其施引论文数分别坐落第一、第三和第九位；法绝对领先地位。其次是英国、法国国家科学研究中心与美国科大学排行并列第一；中国科大学位列第四，在此前沿的施引论文数为82篇。
表3“非共价互相作用（卤键、硫键等）”研究前沿中施引论文的Top产出国家和机构
3.重点热点前沿——“化学动力学疗法”
物理动力学疗法（，CDT）是一类基于铁基芬顿反应的新型癌症医治策略，2016年由中国科大学北京硅酸盐研究所首次提出。该策略基于非晶铁纳米颗粒在癌症微环境中先酸解离、再催化胺基化氢歧化的逻辑响应关系，在瘤内原位形成烷基自由基，造成癌症细胢线粒体不可逆的破坏、DNA链破裂以及蛋白和膜的氧化，最终分解为生物安全的铁离子，明显提升癌症医治的特异性。为了进一步优化CDT医治疗效，研究人员分别从纳米催化剂的选择(铁基/非铁基、均相/非均相、有机/无机等)物理化学研究什么，癌症微环境的调控(增加瘤内pH、增加反应底物H₂O₂、减少抗氧化剂芦丁等)，外源能量场的辅助(光、热、超声、电和磁场)等角度展开了详尽的研究。这一新兴的医治手段除了就能直接杀灭癌症细胞，还可以与其他癌症医治策略(如放疗)有机结合，共同提高抗肺癌效果。
该热点前沿中，中国科大学北京硅酸盐研究所提出“化学动力学疗法”概念的2016年发表的原创论文“ofIronandTheirinCancerTherapybyaLoc”获得了最多的引用，被引308次。中国科大学北京硅酸盐研究所与华中师范大学在2019年联合发表的综述性论文“:-and-like”以及福建学院借助MnO₂基纳米剂型同时输送类离子和消耗芦丁以提高放疗动力学医治的相关文章也获得较多的引用，均被引287次，这三篇论文均发表在《-》上（图3）。
图3“化学动力学疗法”研究前沿中核心论文的被引频次分布曲线
在该研究前沿中，中国表现最活跃物理化学研究什么，是核心论文的主要产出国家（表4）。英国和法国两国也有少量核心论文产出。核心论文Top产出机构中，中国机构占了绝大多数，其中中国科大学发文量32。英国和法国两国最多，日本国立卫生研究院和美国的旧金山学院在此前沿也有产出。
表4“化学动力学疗法”研究前沿中核心论文的Top产出国家和机构
从施引论文角度看（表5），该前沿获得了中国学者的大量引用，贡献了789篇施引论文，占施引论文总数的81.8%，日本、新加坡和马来西亚紧跟其后。施引论文排行前十的机构中，包括9屋内国机构和一家美国机构-日本国立卫生研究院。其中，中国科大学的施引论文最多，为231篇，约占施引论文总数的四分之一。
表5“化学动力学疗法”研究前沿中施引论文的Top产出国家和机构
二、新兴前沿及重点新兴前沿剖析
1.新兴前沿概述
在物理与材料科学领域共有3项研究荣获新兴前沿，1项聚焦物理原理在病毒检查中的应用，即“化学传感在新型冠状病毒检查中的应用”；1项聚焦新型塑胶的研制，即“新型塑胶的制备和性质研究”；还有1项着重于海水淡化材料的研发，即“聚丙酯纳米膜用于海水淡化”（表6）。这三个前沿方向均是首次步入新兴研究前沿。
表6物理与材料科学领域新兴前沿
2.重点新兴前沿剖析——“化学传感在新型冠状病毒检查中的应用
新冠肺炎（COVID-19）疫情席卷全球，引起这次疫情的罪魁元凶是新型冠状病毒(SARS-CoV-2)。检查新型冠状病毒的传感是有效评估临床进展和对感染严重程度或严重趋势保持提防的有力工具。因为新冠脑炎疫情期间要求提供频繁、低成本、快速且大批量地测量，灵敏度高且速率快的新型传感应运而生。物理传感操作简便、检测成本低廉，且灵敏度和确切性也更高，为新冠脑炎疫情的防治和确诊提供了众多有潜力的测量方案。
在本前沿中，德国联邦理工大学和中国甘肃中医药学院联合制备了带有互补DNA受体的二维金纳米岛（AuNIs）双功能等离子体光热生物传感，借助其等离子体光热（PPT）效应和局部表面等离子体共振（LSPR）传感器转导功能，实现了对新型冠状病毒选取序列的灵敏检查。该技巧的测量下限低至0.22μm，并准许在多基因混和物中精确测量特定靶向。俄罗斯基础科学研究院借助在场效应晶体管的石墨烯片上刻蚀一种针对新型冠状病毒尖峰蛋白的特异性抗原的策略，制备成可灵敏检查新型冠状病毒的传感。英国普利茅斯学院基于金纳米颗粒（AuNPs）的比色剖析方式，开发出一种无需任何复杂的仪器技术，即可实现对新型冠状病毒进行选择性的“肉眼”检测。现在，新冠疫情的形势在全球多地仍不容豁达。基于物理技术制备更为灵敏、便捷的病毒传感仍将是物理和生物医药工作者的常年任务。