科學計量學視角下的納米纖維發展歷程與研究熱點分析

吳金紅，周夢璇，黃彩云

（武漢紡織大學 管理學院，湖北 武漢 430073）

20世紀80年代德國物理學家格萊特（Gleiter）教授就納米材料概念的提出到1990年美國召開首屆納米技術會議，標志著納米技術正式誕生。隨著納米材料的廣泛關注，納米纖維成為了納米科學的前沿和研究的熱點。李巖[1]介紹了1990年-2011年來國內外靜電紡絲纖維在過濾吸附膜、生物醫學、傳感器、防護應用及其他一些特殊領域中的研究現狀，并展望了靜電紡絲納米纖維的發展趨勢和研究方向，劉佳[2]等學者重點綜述了近年來國內外研究者對一系列柔性無機納米纖維的研究進展，卿彥[3]在比較主要纖維素納米纖維基礎上，綜述纖維素納米纖絲發展歷程、加工制備、主要性能及潛在應用領域。許多學者對特定的納米纖維研究進展進行了總結，但沒有對整個納米纖維領域的發展進行歸納，本文嘗試借 CiteSpace 這一新興的科學計量學方法，以Web of science數據庫收錄的發表于2000年至2019年間納米纖維研究的相關文獻為數據源，繪制 21世紀以來納米纖維領域的科學知識圖譜，并通過考察納米纖維領域的研究走勢、發文機構、研究作者、研究熱點以及前沿領域等，較為全面地梳理近 20年以來納米纖維研究的發展狀況、研究熱點以及未來發展方向，旨在為我國納米纖維的發展提供一定的參考。

1 數據來源和方法

1.1 數據來源

本文數據來源于Web of sciencs（WOS）數據庫。作者采用高級檢索方式，以“nanofiber”為主題詞，文獻類型為“article”，檢索日期為2019年07月19日，時間跨度為2000年—2019年，在WOS期刊數據庫中進行檢索。數據源包括篇名、作者、單位、關鍵詞、摘要、年份等信息，最終共獲得有效文獻16838篇。

1.2 研究方法與工具

本文選擇美國德雷賽爾大學陳超美教授研發的一款利用 Java語言開發的信息可視化軟件——CiteSpace，該軟件通過分析內在動力機制通過繪制科學知識圖譜探測某一學科或者領域的熱點主題以及變化趨勢[4-5]。為了增加數據的可信度和準確性，對數據進行除重（Remove Duplicates），將除重后的數據導入軟件進行可視化分析。利用Citespace分析納米纖維領域的具體步驟如圖1。

圖1 CiteSpace操作流程圖

2 納米纖維研究的現狀

2.1 時間分布

發文的時間和空間可以直接反映出納米纖維的關注程度和研究力量的分布情況，繪制2000年—2019年以來有關納米纖維研究的發文情況的折線圖，如圖2所示。

2000年以來關于納米纖維研究整體上呈現出明顯的上升趨勢，發文量由最初的12篇逐步上漲到2018年的2105篇，因數據獲取時間為2019年7月，2019年的研究數據尚未統計完全，故而2019年的 1336篇論文不能夠代表全年數據，由趨勢線可看出近20年納米纖維研究的發文量呈上升趨勢。2000年—2003年增速較緩，學術界成果不明顯，4年間發文量總計315篇，年均發文量79篇，在2013年后整體上增速度較為明顯，此階段尚未出現極值，說明納米纖維引起了學術界的廣泛關注，其研究發展仍舊處于上升期并且呈現直線上升的趨勢，納米纖維技術的發展并沒有達到拐點。

圖2 2000-2019年納米纖維Wos論文數量

2.2 空間分布

科研文獻的空間分布反映出該領域全球的研究態勢，能夠幫助科研人員認識自己國家在該領域的學術地位，發現要學習和研究的競爭對手[6]。表1從地域對納米纖維的研究進行了統計，列出排名前10的國家，數據來源于CiteSpace后臺統計數據。從表1可知，納米纖維研究文獻的分布并不均勻，存在明顯的差異，其主要文獻集中在亞洲國家，中國、韓國、日本、伊朗、印度、土耳其等。中國是納米纖維研究的領先國家，發文量5688篇遠超越排名第2第3的美國和韓國。這樣的結果源于我國非常重視納米技術的研發，擁有一支精干的納米科研隊伍，他們主要集中于中科院和國內一批知名高校。

文獻的被引用頻次可以在一定程度上用來衡量論文的質量，從篇均被引頻次來看，我國論文共被引用97883次，篇均17.208次，在前10名國家中排名第3位，我國在納米纖維的研究雖然發文量大，但篇被引頻次低于美國，雖然不能排除有語言上障礙的影響，但總體來說高質量的論文數量有待提高。

表1 納米纖維研究論文前10的國家

另外，Citespace中的中心度可以反映學術研究的中介地位。中心度是常用來進行中心性測度的指標，它是指網絡中經過某點并連接這兩點的最短路徑占這兩點之間的最短路徑線總數之比[7]。中心度越高說明該節點與其他節點互動的能力越強，所處的位置就越重要。在前 10國家中，我國的中心度為0.07，排在第6位，遠低于美國0.37，分析原因和美國對于納米纖維的重視以及巨額的投資密切相關，1996年以美國國家科學基金會為首的政府部門聯合出資，委托世界技術評估中心成立小組走訪西歐、日本和我國臺灣的42所大學、工業公司和國家實驗室對納米技術的研究開發現狀和發展趨勢進行調研。想要提升我國在納米纖維研究的國際地位需要促進與其他國家之間的交流。

2.3 研究機構分布

研究機構分布有助于科研人員了解本領域的研究力量分布狀況。設置閾值為TOP30，選擇“機構”作為分析參數，得到如圖3的納米纖維研究領域共現知識圖譜，共計171個節點，428條連線，每一個節點（Node）分別代表一個機構，節點大小代表機構發文量，連線（Link代表機構之間的合作關系。納米纖維研究機構以高校為主體，連線最多的機構為中國科學院（Chinese Acad Sci）、東華大學（Donghua Univ）、韓國全北國立大學（Chonbuk Natl Univ）、新加坡國立大學（natl univ singapore），這些機構分布于亞洲地區，可以看出東亞比較發達的國家研究發展快于其他地區。基于機構合作圖譜可以看出，中國的高校和科研機構在納米纖維研究領域的影響力越來越大，在發文量前10的機構中，中國占了5個，同時國內大學和研究結構也越來越注意同其他研究機構進行合作，圖中節點連線的數量表明了機構之間的合作關系數量。

圖3 納米纖維研究機構共現知識圖譜

2.4 期刊分布

論文發表的期刊能夠幫助學者了解期刊的偏好，也可以幫助判斷論文的質量。從統計數據來看，目前納米纖維發表的期刊有454種，其中發文量前10的期刊如表2。由此可以看出，排名前10的期刊均為應用物理、化學和材料科學領域JCR分區靠前的期刊。

表2 載文前10的期刊

其中期刊acs applied materials & interfaces、carbon在發文量和被引上均占有優勢，可以作為研究納米纖維的重要期刊。

2.5 學科分布

納米纖維被適用于各個領域且體現出較強的學科交叉性，對文獻進行學科領域分布統計可以有效把握納米纖維研究的重要方向，了解納米纖維在各個領域的用途可以幫助擴展創新，根據 WOS的學科分類規則對納米纖維領域的文獻進行了學科的分類，統計結果如圖4。

圖4 納米纖維領域的文獻所屬學科分布圖

由圖4可得，納米纖維的研究成果主要集中在材料科學、高分子科學、化學物理、納米技術等學科，換而言之納米纖維目前在這些學科的發展較快，證明了納米纖維研究的多學科性和學科融合性特征。

3 納米纖維的研究重點論文與熱點分析

3.1 重要論文分析

高被引文獻在一定程度反映了該領域學者的關注點和研究熱點，同時也是本學科科研人員開始研究需要重點閱讀的“經典”文獻。本文根據CiteSpace分析結果結合Wos，被引次數前10的論文見表3。可以看出，納米纖維Top10被引論文的引用次數都超過了1000；從國別來看，集中在美國（6）、中國（2）和新加坡（2），值得關注的是，我國兩篇文章都是在 2010年以后發表的。從論文分布的學科領域來看，集中在材料科學、高分子材料科學以及化學材料領域，這與納米纖維的屬性相符合。

表3 高被引論文Top10

3.2 納米纖維研究的熱點

關鍵詞是文章核心內容的高度概括，如果某一關鍵詞在其所在領域的理念中反復出現，則該關鍵詞所表征的研究課題是該領域的研究熱點，通過關鍵詞統計和共現分析，有助于快速了解某一領域的研究熱點。本文中，節點類型選擇“key word”，設置閾值為TOP20，運行Citespace軟件得到納米纖維研究高頻關鍵詞聚類知識圖譜，可以發現目前納米纖維研究主要熱點如下：

圖5 納米纖維研究的熱點

第一大類是納米纖維性能研究。對應#0 differentiation和#1 adsorption兩個小類。其中第1個小類的研究聚焦在纖維上排列的細胞分化。如Lim，Shawn H.[8]等研究了排列整齊的基質地形對細胞形態的影響，以及成年神經干細胞(ANSCs)的神經分化能力。Subramony， Siddarth D[9]等設計了一種排列整齊的聚乳酸-糖醇內酯(PLGA)納米纖維支架，具有與韌帶再生生理相關的力學性能。除了展示納米纖維支架在 hmsc介導的功能韌帶組織工程中的潛力外，化學和機械刺激對干細胞分化的相互作用產生了新的見解。Gelain， Fabrizio[10]等認為控制細胞微環境被認為是成功應用再生醫學策略生物材料的關鍵。在某些情況下，在分子水平上觀察到兩個擴散分子群體：一個完全在溶劑中擴散，另一個表現出遷移受阻。

第2小類研究聚焦通過纖維的吸附性制作吸附材料。如Li， Yan[11]等考察了Cd(II)和Pb(II)離子在水溶液中的吸附性能，制備的Cd(II)離子印跡電紡交聯殼聚糖納米纖維氈可作為重金屬廢水中Cd(II)和Pb(II)的有效吸附劑。Wu， Shengju[12]采用靜電紡絲法制備了巰基功能化介孔聚乙烯醇/二氧化硅復合納米纖維膜和純PVA納米纖維膜。通過六種回收工藝保持了PVA/SiO2復合納米纖維膜的吸附能力。Zhao， Rui[13]利用吸附等溫線和吸附動力學研究了吸附的基本性質，為重金屬離子廢水處理提供了一種有前景的吸附劑。

第二大類是納米纖維的制備方法研究。主要包括兩個小類#2 nanofiber和#4 electrospinning，聚焦于電紡聚合物納米纖維的加工、結構與性能及應用等方面的研究。如 Huang， ZM[14]對電紡聚合物納米纖維的加工、結構與性能表征、應用、建模與仿真等方面的研究進展進行了綜述，介紹了超細纖維靜電紡絲用聚合物及其加工條件。DOSHI， J[15]指出產生聚合物溶液的帶電射流在空氣中傳播時，留下帶電的纖維可以被電偏轉或收集在金屬屏幕上。用不同的聚合物制備出具有不同截面形狀和尺寸的纖維。Reneker， DH[16]用數學模型對電紡聚合物納米纖維形成聚合物溶液的失穩原因進行了分析和說明。靜電紡絲作為一種靜電纖維制造技術已經制備了種類豐富的納米纖維，在生物醫用材料、過濾及防護、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等領域發揮巨大作用。

第三大類是納米復合纖維的研究。對應于圖中#3 fiber和#5 nanocomposites。前者聚焦于納米纖維的來源、類型、結構、組成及力學性能等方面的研究進展。如Bhardwaj， Nandana[17]等討論了靜電紡絲理論、可紡聚合物、溶液和工藝參數對纖維形態、溶劑性能和熔體靜電紡絲性能的影響。Deitzel， JM[18]系統地評估了紡絲電壓和溶液濃度這兩個最重要的工藝參數對纖維形態的影響。發現紡絲電壓與纖維中微球缺陷的形成密切相關，溶液濃度對纖維尺寸的影響最大。后者（#5 nanocomposites）聚焦于納米復合纖維的親水性及其應用特性。如Zhang， Kai[19]在酸性條件下聚合制備了化學改性石墨烯和聚苯胺納米纖維復合材料。將不同質量比的氧化石墨烯/聚苯胺復合材料還原為石墨烯，然后對還原后的聚苯胺進行再氧化和規化，得到石墨烯/聚苯胺納米復合材料。研究數據表明，無論是將化學改性石墨烯與PANI摻雜，還是將體積較大的PAN與石墨烯/氧化石墨烯摻雜，都可以獲得高的比電容和良好的循環穩定性。

第四大類是納米纖維的結構研究。對應于圖中的#6 nanostructure研究中Reddy， Kakarla Raghava[20]通過對有機污染物的分解，測試了功能二氧化鈦與碳納米復合材料的光催化性能。性能的提高是由于一維同軸納米結構的帶隙修飾，其中銳鈦礦相與納米碳結合，在有限的空間內提供了較大的表面體積比。Ahmed， Sk.Faruque[21]利用混合離子束系統研究了聚丙烯(PP)在Ar離子束輻照下的表面形貌演化，將納米結構轉化為較長時間的三維納米纖維狀納米結構。

第五大類是納米纖維的應用研究。突出表現在#7 scaffold和#8 supercapacitor兩個小類。其中第1小類的研究中，Mottaghitalab， Fatemeh[22]采用靜電紡絲法制備了幾丁糖/聚乙烯醇(CS/PVA)復合神經生長因子(NGF)支架，并對其在神經組織工程中的應用前景進行了展望。Xu， Xian-Yi[23]研究了幾種PHA經新型相分離法制備的納米纖維基質(支架)，以模擬天然細胞外基質(ECM)，并對PHA基質中生長的鼠源性NSCs的體外分化行為進行了表征。納米纖維支架(基質)可促進NSC的生長和分化，可用于治療中樞神經系統損傷。

第2小類研究中，Zhang， Kai[19]發現在充放電過程中作為超級電容電極具有高的比電容和良好的循環穩定性。Dubal， D. P.[24]綜述了混合材料、材料、電極和器件在沿著拉貢曲線對角線努力前進的不同方法和尺度，通過結合電池和超級電容器材料以及存儲機制來提供增強的能量和功率密度。

4 納米纖維研究的發展趨勢

4.1 納米纖維研究的國家發展趨勢

2000年-2010年美國在發文量上占有絕對的優勢，這和美國自身的科研實力是密不可分的。值得注意的是，我國在納米纖維研究上的發展非常迅速，從圖6可以看出，自2010年起，我國在該領域發文數量開始超過美國，目前已經遙遙領先，數量等于前十中其他九個國家發文數之和，而美國則處于平緩上升狀態。伊朗和印度近幾年的發文量總體呈上升態勢，且發展較好在未來有望趕超韓國和日本。

圖6 各國年發文趨勢圖

4.2 納米纖維研究的演進路徑分析

參考文獻是完成文章寫作過程中參考過的文獻，通過文獻之間的引用關系可以將納米纖維研究的學術成果和前沿研究以時間視圖的形式展現出來，設置網絡節點為引用參考文獻（cited reference），選擇閥值為Top20，得到以時區視圖（time zone）模式從歷時維度展示了引文的動變更替過程，直觀展現了不同年代的關鍵研究成果的演進軌跡[25]。從圖7大致可以看出，納米纖維的研究經歷了三個主要發展階段：

圖7 納米纖維研究的演進路徑

（1）起步階段（2000-2007）重點在對納米纖維的加工、結構與性能的探索性認識。如2001年DEITZEL，JM[18]系統地評估了紡絲電壓和溶液濃度這兩個最重要的工藝參數對纖維形態的影響，發現紡絲電壓與纖維中微球缺陷的形成密切相關，隨著溶液濃度的增加，纖維直徑呈冪律關系增加。對電紡絲工藝及其影響纖維性能的參數有了新的認識。2002年Li， WJ[26]在研究中提到開發了一種具有獨特結構的新型靜電紡絲多晶硅結構，具有孔徑分布范圍廣、孔隙率高、力學性能好等特點，符合理想工程支架的基本設計標準，在組織工程中具有潛在的應用前景，在調節組織生長方面起著重要作用。2003年Huang， ZM[27]對電紡聚合物納米纖維的加工、結構與性能表征、應用、建模與仿真等方面的研究進展進行了綜述。綜述了超細纖維靜電紡絲用聚合物及其加工條件。還討論了有關技術限制、研究挑戰和未來趨勢的其他問題。2004年 Li， D[28]總結了納米纖維過去三年所取得的進展和靜電紡絲的機理和理論模型，以及控制靜電紡絲納米纖維的直徑、形態、組成、二次結構和空間排列的能力。此外強調了一些潛在的應用與電紡納米纖維的顯著特點。

（2）發展階段（2007-2010）。納米纖維在靜電紡紗中的應用，工藝或性能方面的研究。如 2007年Greiner， Andreas[29]指出靜電紡絲可以將聚合物溶液或熔體加工成直徑從幾微米到幾納米不等的連續纖維。這種技術幾乎適用于所有可溶性或可熔性聚合物，對聚合物進行化學改性，也可以使用添加劑進行調整。這種方法提供了獲得可能具有復雜化學結構的全新材料的途徑。2008年有3篇文獻對納米纖維研究產生了重要影響。Sill， TJ[30]綜述了靜電紡絲技術在組織工程和藥物傳遞中的應用，指出靜電紡絲在組織工程和藥物傳遞中的應用幾乎是無限的。Reneker， DH[31]研究中指出在靜電紡絲中聚合物納米纖維是由帶電流體射流的產生和延伸而形成的，拓寬了納米纖維的用途。Agarwal， Seema[32]重點介紹了靜電紡絲在組織工程藥物釋放、創面敷料、酶固定化等生物醫學應用中的重要性。對傳統電紡設備進行修改以適應各種生物醫學應用的具體需要。2010年Bhardwaj， Nandana[17]研究了靜電紡絲理論、可紡聚合物、溶液和工藝參數對纖維形態、溶劑性能和熔體靜電紡絲性能的影響。

（3）突破階段（2011-至今）。本階段納米纖維的研究飛速發展，研究的內容也不斷的創新，其中主要聚焦于納米纖維復合新材料的制備與應用研究。如Xue， JJ[33]等利用陶瓷納米纖維作為貴金屬納米顆粒的催化載體以及探索聚合物納米纖維作為組織再生的支架材料，展示了電紡納米纖維作為多相催化多孔載體和組織再生功能支架的獨特功能。Jiang， SH[34]等根據電紡納米纖維的分類，對不同種類的電紡納米纖維增強復合材料進行了討論指出了電紡納米纖維增強復合材料未來可能面臨的挑戰。

通過以上分析，納米纖維研究的演進路徑可概括為：研究對象從納米纖維材料工藝和性能到開發結構和各領域的應用，納米纖維研究與其他學科領域的交叉融合更加密切，反映出納米纖維具有廣闊的應用前景。

圖8 應關注的納米纖維研究領域

4.3 納米纖維研究的未來關注點

突變詞是指在較短時間內迅速出現的頻率較高的詞，根據突現詞的詞頻變化可以判斷研究領域的前沿和趨勢[35]，根據Citespace，得到納米纖維突現主題如圖8。圖8展示了納米纖維研究的部分突現值達到一定強度的關鍵詞以及其更替的過程，這些關鍵詞是不同時期內納米纖維研究的熱點。圖中紅色線條代表該關鍵詞的突現所發生的時間區間，Begin和 End分別代表突變發生的開始時間和結束時間，Strength代表該關鍵詞的“突現”強度，值越大表示關鍵詞在該研究領域相應的時間區間內的影響越大，由此可見，關鍵詞“Fiber（纖維）”在2005年-2010年是研究的熱點且強度為208.1271，其持續時間最長且強度最高，表明關鍵詞“Fiber（纖維）”的出現引起納米纖維界的重視，學者們紛紛對其進行研究，在納米纖維研究的相應時間內處于重要的地位。熱點詞在2006年-2009年、2009年-2011年尚未出現說明該階段為學術成果產出的平淡過度期，創新度低。熱點關鍵詞的出現主要集中出現在 2011年以后標志著納米纖維研究取得了新的突破。關鍵詞“Water（水）”、“graphene（石墨烯）”、“supercapacitor（超級電容器）”、“drug delivery(藥物輸送)”、“chitosan（殼聚糖）”、“degradation（降解）”、“hydrogel（水凝膠）”、“release（排放）”、“graphene oxide（氧化石墨烯）”、“removal（去除)”是今后研究的熱點。

5 結論

總的來看，納米纖維研究領域具有以下特點：在文獻方面，該領域呈現出線性增長趨勢，研究熱度仍然持續且在亞洲地區較繁榮；從載文期刊來看，該領域研究文獻的分布于454種期刊，收錄文獻的期刊不僅限于材料科學領域，也有許多應用物理、 化學、納米科技及高分子材料等領域的期刊和其學科分布的研究相吻合，說明納米纖維受到了各界的廣泛關注有多學科性和學科融合性特征；在研究熱點方面，該領域的熱點主要有細胞分化、吸附功能、纖維、靜電紡絲、納米復合材料、納米結構、支架等， 其研究熱點的演進經歷了起步、成長和突破三個階段。通過對納米纖維研究熱點及其演進過程分析后發現，該領域的研究早期主要是對納米纖維的加工、結構與性能的探索性認識。此后逐漸轉為對納米纖維在靜電紡紗中的應用，工藝或性能方面的研究，再轉而研究納米纖維復合新材料的制備與應用等。近兩年該領域的研究則更加細化、具體，“石墨烯”、“超級電容器”、“藥物輸送”等是今后研究的熱點。總體來看，該領域研究經歷了由淺及深，由理論到實踐，不斷跟新技術與新理念結合的發展過程，未來旨在為傳統產業提供新的動力。