《2021研究前沿》

12月8日，中国科学院与科睿唯安在北京向全球联合发布了《2021研究前沿》报告，遴选和展示了11大学科领域中的110个热点前沿和61个新兴前沿。

本文中，小编挑选了化学与材料科学领域热点前沿及重点热点前沿解读及新兴前沿及重点新兴前沿解读，仅供参考。

一、热点前沿及重点热点前沿解读

1.化学与材料科学领域 Top 10热点前沿发展态势

2021年化学与材料科学领域Top10 热点前沿主要分布在有机合成、先进材料、生物化学等方面。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入选，即使曾经出现过的研究主题在今年其研究方向也发生了迁移。

在有机合成方面，氮杂环卡宾催化去年曾入选Top10 热点研究前沿，2021年突出了光和氮杂环卡宾的协同催化；二氧化硫插入策略合成磺酰类功能分子、非共价相互作用（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，钙钛矿材料的研究一直是近年来的热点，2013-2020年主要研究其作为电池材料和光学晶体材料在太阳能电池和光电探测器领域的应用，2021年重点关注了其铁电性质；基于水凝胶的应变传感器曾是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升方面做了较多研究；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年重点关注了具有棒状、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，重点研究了无铅钙钛矿铁电储能陶瓷材料，2021年重点关注了无铅弛豫铁电储能陶瓷材料。

生物化学方面，化学动力学疗法和光电化学生物传感器均是首次入选研究前沿。

表1 化学与材料科学 Top 10 热点前沿

图1  化学与材料科学领域 Top10 热点前沿的施引论文

2.重点热点前沿——“非共价相互作用（卤键、硫键等）”

卤键、硫键等二次键是超分子的弱相互作用，通常被视为氢键相互作用的竞争性相互作用。作为非共价键研究领域的新范式，卤键、硫键等二次键引发了分子间相互作用的新方向。借由这种新颖的分子间相互作用构筑的材料表现出独特的荧光、磷光、磁性、液晶、超分子凝胶等特性，在光波导、传感、催化和药物发现等领域具有广阔的应用前景，近年来成为化学与材料科学领域的热点研究方向。

针对卤素键的研究最早始于1814 年，Jean-Jacques Colin 制备了有史以来第一个具有金属光泽的蓝黑色卤素键合复合物（I2···NH3）。针对硫键的研究则始于20世纪60年代。现如今，卤素键已在硅片和固态实验中得到广泛研究，溶液中的应用主要集中在阴离子识别和传感、阴离子模板自组装以及有机催化等领域。固相中，硫键已被用于纳米结构的构建和复杂阵列的自组装；近期在溶液中的应用主要利用分子内相互作用机理实现中间体构象或试剂的稳定，用于阴离子识别和传 输以及有机合成和有机催化中。尽管对这些二次共价键的研究由来已久，但目前对支配这些相互作用的基本几何和物理参数的研究和理解还处于初级阶段，对其在超 分子构筑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深化。本前沿反映了这些二次键在阴离子识别、晶体工程、非共价有机合成和有机催化中的理论和应用探索中的一些重要研究进展。

在本热点前沿中，意大利米兰理工大学等和英国牛津大学发表在《Chemical Reviews》上的关于卤素键及其在超分子化学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“非共价相互作用（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，英国、德国和西班牙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，来自英国的有2 家，包括牛津大学和爱丁堡大学，来自西班牙和瑞士的也各有 2 家。

表2“非共价相互作用（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），美国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，均处于印度和英国。在施引论文 Top10 机构中，有 3 家俄罗斯机构入选，俄罗斯科学院、圣彼得堡州立大学和南乌拉尔国立大学，其施引论文数分别位于第一、第三和第九位；法绝对领先地位。其次是德国、法国国家科学研究中心与俄罗斯科学院排名并列第一；中国科学院位列第四，在此前沿的施引论文数为82篇。

表3 “非共价相互作用（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”

化学动力学疗法（ChemodynamicTherapy，CDT）是一类基于铁基芬顿反应的新型肿瘤治疗策略，2016 年由中国科学院上海硅酸盐研究所首次提出。该策略基于非晶铁纳米颗粒在肿瘤微环境中先酸解离、再催化过氧化氢歧化的逻辑响应关系，在瘤内原位产生羟基自由基，导致肿瘤细胢线粒体不可逆的破坏、DNA链断裂以及蛋白和膜的氧化，最终分解为生物安全的铁离子，显著提高肿瘤治疗的特异性。为了进一步优化 CDT治疗效果，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 )，肿瘤微环境的调控 ( 降低瘤内 pH、增加反应底物 H₂O₂、减少抗氧化剂谷胱甘肽等)，外源能量场的辅助 (光、热、超声、电和磁场)等角度展开了详细的研究。这一新兴的治疗手段不仅能够直接杀灭肿瘤细胞，还可以与其他肿瘤治疗策略(如化疗)有机结合，共同提升抗肿瘤疗效。

该热点前沿中，中国科学院上海硅酸盐研究所提出“化学动力学疗法”概念的 2016 年发表的原创论文“Synthesis of Iron Nanometallic  Glasses and Their Application in C ancer The rapy by a Loc alized Fenton Reaction”获得了最多的引用，被引308次。中国科学院上海硅酸盐研究所与华东师范大 学在2019年联合发表的综述性论文 “Chemodynamic Therapy:Tumour Microenvironment-Mediated Fenton and Fenton-like Reactions”以及福州大学利用MnO₂ 基纳米制剂同时输送类 Fenton 离子和消耗谷胱甘肽以增强化疗动力学治疗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《Angewandte Chemie-International Edition》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，是核心论文的主要产出国家（表4）。美国和澳大利亚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，其中中国科学院发文量 32。美国和澳大利亚两国最多，美国国立卫生研究院和澳大利亚的墨尔本大学在此前沿也有产出。

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，占施引论文总量的 81.8%，美国、新加坡和澳大利亚紧随其后。施引论文排名前十的机构中，包括 9 家中国机构和一家美国机构-美国国立卫生研究院。其中，中国科学院的施引论文最多，为231篇，约占施引论文总量的四分之一。

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解读

1.新兴前沿概述

在化学与材料科学领域共有 3 项研究入选新兴前沿，1项聚焦化学原理在病毒检测中的应用，即“化学传感器在新型冠状病毒检测中的应用”；1项聚焦新型塑料的研发， 即“新型塑料 vitrimers 的制备和性质研究”；还有1项侧重于海水淡化材料的研制，即“聚酰胺纳米膜用于海水淡化”（表6）。这三个前沿方向均是首次进入新兴研究前沿。

表6 化学与材料科学领域新兴前沿

2 .重点新兴前沿解读——“化学传感器在新型冠状病毒检测中的应用

新 冠 肺 炎（COVID-19）疫情肆虐全球，引发此次疫情的罪魁祸首是新型冠状病毒 (SARS-CoV-2)。检测新型冠状病毒的传感器是有效评估临床进展和对感染严重程度或严重趋势保持警惕的有力工具。由于新冠肺炎疫情期间要求提供频繁、低成本、快速且大批量地检测，灵敏度高且速度快的新型传感器应运而生。化学传感器操作简便、检测成本低廉，且灵敏度和准确性也更高，为新冠肺炎疫情的防控和诊断提供了诸多有潜力的检测方案。 

在本前沿中，瑞士联邦理工学院和中国山东中医药大学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器，利用其等离子体光热（PPT）效应和局部表面等离子体共振（LSPR） 传感转导功能，实现了对新型冠状病毒选定序列的灵敏检测。该方法的检测下限低至 0.22μm，并允许在多基因混合物中精确检测特定靶点。韩国基础科学研究院利用在场效应晶体管的石墨烯片上涂覆一种针对新型冠状病毒尖峰蛋白的特异性抗体的策略，制备成可灵敏检测新型冠状病毒的传感器。美国马里兰大学基于金纳米颗粒（AuNPs）的比色分析方法，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。如今，新冠疫情的形势在全球多地仍不容乐观。基于化学技术制备更为灵敏、便捷的病毒传感器仍将是化学和生物医药工作者的长期任务。