為什么2020年最熱門的研究前沿是儲能陶瓷？

近日， 2020研究前沿發布，這一報告描繪了2014-2019年間，自然科學與社會科學的 11 大學科領域的 148個研究前沿（包括 110 個熱點前沿和 38 個新興前沿），其中有部分研究領域同化學、材料科學和凝聚態物理相關。我們將會進行不同維度的解讀，希望對有幸看到此文的你有所得。

首先，我們需要了解研究前沿的入選算法，因為不同的算法會得到截然不同的結果，對領域的任何分析都必須在其既定算法下進行分析，否則很容易得到誤導性的結論，作為科研人員，我們首先得明確這一點。

熱點前沿遴選方法：2014-2019年間，對每個 ESI 學科中的研究前沿的核心論文，按照總被引頻次進行排序，提取排在每個 ESI 學科前 10% 的最具引文影響力的研究前沿，并將其整合到 11 大領域中，以此數據為基礎，再根據核心論文出版年的平均值重新排序，遴選出每個領域中那些“最年輕”的研究前沿。從 11 大學科領域中分別遴選出的排名前 10 的熱點前沿，代表各大領域中最具影響力的研究前沿，但并不一定代表跨數據庫（所有學科）中最大最熱的研究前沿。因此，我們耳熟能詳的雜化鈣鈦礦太陽電池、石墨烯的落選，并不是預示著大熱方向的文章減少，而是與遴選方式有關。因為大熱方向其實已經進入成熟發展方向的序列，而研究前沿的關注點是短期時間內的年輕熱點。

新興前沿遴選方法：對研究前沿中的核心論文的出版年賦予了更多的權重或優先權，只有核心論文平均出版年在 2018 年 6 月之后的研究前沿才被考慮，將每個 ESI 學科的研究前沿按被引頻次從高到低排序，選取被引頻次排在前 10% 的研究前沿。遴選不限定學科，因此 38 個新興前沿在 11 大學科領域中分布并不均勻。化學和材料科學遴選出的6個新興前沿占了大約15%的份額，可見在圍繞化學的相關方向上，幾乎年年有新路徑，前瞻性的新領域總會時不時的迸發。

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一、導讀

化學與材料科學領域共有10個熱點前沿，其中排名第一的就是今天我們盤點的這位——無鉛儲能陶瓷。在10個入選的熱點前沿中，這一領域的核心論文數是33篇，位列中部，而被引頻次2130次，則位于倒數第一。那么，為何這一領域排名第一呢？因為其核心論文的平均年出版日期最近，即2017年9月。因此，通過仔細分析，筆者以為，研究前沿（熱點和新興）的關注點都側重一個“新”字，即每年發布的研究前沿具有很強的時效性。

回到我們今天的主題——無鉛儲能陶瓷，這一研究領域涉及到的核心領域主要為具有鐵電、壓電等特性的非線性電介質材料。因為同傳統的線性電介質相比，其有效儲能密度較大，具有一定的應用潛力；而無鉛材料，兼具環保和小于鉛基材料密度的特點，便于在應用中實現輕質。電介質儲能電容器和廣為研究的超級電容器類似，具有高的功率密度（10⁸ W/kg級），但其能量密度則低的驚人（0.1Wh/kg級），比起我們的鋰電池（400 Wh/kg級）那真是小孩了。所以，目前的研究攻堅點主要在于：提高有效能量密度和擊穿場強、提升儲能效率、拓寬溫度穩定區間。客觀而言，這一研究領域原本屬于經典的凝聚態物理范疇，但因為涉及到目前大熱的材料+能源領域，因此，我們可以認為這一領域是化學、材料和物理之間契合點的產物。這順應了學科交叉的研究趨勢，不過，目前主要的核心研究人員主要集中于傳統的鐵電、壓電、和介電領域，亟待其他學科的研究人員的深度融合。物化材之間的深度融合并迸發出顛覆性的領域發展研究路徑，是這一領域能夠持久“熱”，并真正實現“走入日常生活”的鑰匙。

本文將基于SCI數據庫的引文數據對其進行解讀，我們選取的范圍稍有擴大，從“無鉛”擴展到“無鉛+有鉛”的完整儲能陶瓷領域，時間跨度不設限，這樣會更加全面的窺探領域背后的故事。

二、“儲能陶瓷”研究概覽

圖2.1儲能陶瓷的分學科發表量

如圖2.1所示，儲能陶瓷研究領域的論文主要以材料綜合類學科為主，并且在應用物理和陶瓷學科中有較大的權重，介于中間區域的物理化學、凝聚態物理和電子類論文則起到了學科間交叉的紐帶作用，這與本文開頭筆者的推測是一致的。盡管這一方向屬于交叉領域，但核心的融合點的發展仍較為薄弱，研究的主力依舊是以材料制備及表征為主的傳統材料研究路徑，而化學學科在其中處于邊緣地帶，即從原子、分子和結構層面進行更微觀層面研究的論文較少。

圖2.2儲能陶瓷的發表年度曲線圖

圖2.2展示了2010年以來該研究方向的發文趨勢，?這一領域最早的論文發表區間是1997年左右，起初只有10篇左右的工作，而十多年后（2010）的發表量仍然不過百。真正的研究熱潮是從2014年開始，而那時正是能源領域論文開始增長的時間段；可見，這一方向的“熱門”并不是學科研究方向發展自我突破的區域，而是在整個能源大背景下的“再發掘”，畢竟介電材料能夠儲存電荷和能量是一直以來的知識共識，只不過早期的研究更加關注介電過程，而沒有將其同更綠色的能源應用關聯。

圖2.3儲能陶瓷的國家和地區發表量

從圖2.3的國家和地區發表分布中，我們清晰的捕捉到，中國大陸是這一領域當仁不讓的絕對巨擘，總發文量占據了該領域近60%的份額，將一眾小弟遠遠甩在沙灘上。特別需要關注的是日本，沒有進入前五名，這同筆者前不久關于H_fO₂的分析文章中（日本第三）的排序有著巨大的差異。筆者猜測，可能日本學者覺得其真正應用潛力也許尚不成熟，或者在科學上難以有實質性的突破？

圖2.4儲能陶瓷發文量前十期刊

注：JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-ME為JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE MATERIALS IN ELECTRONICS)

圖2.4?展示了發表該領域論文最多的前十大期刊，三大陶瓷刊物掌控了主要發表量，國陶雄居第一！而另一本電子材料領域的專業期刊JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-ME也是不可小覷，其余的材料類期刊則都是材料領域國人占比不低的期刊，但發文量非常小，都不過百篇。位居末尾的是兩大應用物理老牌期刊，JAP和APL，但發文量也很小。此外，我們熟悉的材料類頂刊AM也不在前十，可見這一領域想發表在材料綜合期刊上難度不小。這與其過于細分的研究范圍有關，只有少量研究能具有更廣泛的讀者群，大部分的科學點都集中于陶瓷和電子材料領域，這一推斷和本文接下來的引文分析不謀而合。

三、“儲能陶瓷”論文引證科學分析

圖3.1儲能陶瓷的國際合作

國際合作方面，圖3.1的合作關系表明，中國作為這一領域的最大發文國家，保持著同各主要國家的合作，而中美之間的合作強度最強。歐洲各國彼此之間的合作關聯度強于同歐洲以外國家的關聯。日本則是最特別的存在，自成一派的只和少數國家有一定合作。

圖3.2 儲能陶瓷的機構合作

圖3.2的各主要研究機構間的合作具有一定的區域發展特征。作為這一領域最大的發文機構，西安交通大學主要和陜西省內的部分高校有更加緊密的合作，并且同英國的少數機構有一定的合作，這一現象并不意外，充分反映了這幾個機構研究人員之間長期以來在電子陶瓷領域的師承和合作關系，區域性研究團隊特征明顯。從上圖中，我們也可以得到一個重要信息，這一領域的研究人員集中度很高，都是傳統的電子陶瓷類研究機構，一些物理和化學類頗有名氣的機構基本上很少涉足這一領域。這帶來一個不容忽視的問題，研究群體多樣性不足，學術近親發展現象會限制領域的學術思維的開拓，對于顛覆性和獨創性科學思維的凝練是不利的。未來，期待更加多元化的機構群體的加入，攪動起更加澎湃的思想浪花。

圖3.3儲能陶瓷的期刊間共被引關系

接下來，我們從期刊論文共被引關系（圖3.3）中捕捉研究成果的被關注度與研究的發展脈絡。我們發現，這一領域的論文的關注集中度較高，陶瓷和傳統材料物理類期刊的作者間互相關注同行的成果，而化學類和部分應用物理類期刊均是同領域內互相關注，值得一提的是AM，盡管發文量不大，但更容易被化學研究者關注，這也充分證明，專業綜合類期刊具有更廣的讀者群，有利于促進成果的交叉。總體而言，該領域的學科間“深度融合”不足，這和前文發表期刊的分布是一致的。

圖3.4儲能陶瓷的期刊間耦合關系

接下來，我們從不同期刊各自論文的共同關注點來剖析不同領域的期刊之間是否有關聯。圖3.4中，我們發現歐陶和材料化學的期刊間具有一定的融合特性，而美陶和國陶則同電子材料類期刊關注點類似。而化學類期刊內的融合更為緊密，特別是新刊Journal of Materiomicsy更加側重于化學角度。而物理類期刊APL和陶瓷類期刊的關注點明顯不同，更加側重于微觀原子和晶體結構層面的機理對應用物理的影響。

圖3.5 儲能陶瓷論文中的核心關鍵詞聚類分析

最后，我們看看儲能陶瓷全部論文的核心關鍵詞的聚類特征（圖3.5）。圖中的顏色聚類清楚的展現了學科間“似融非融”的狀態，側重于物理研究的課題，如相變、鐵電壓電、和應變，同更注重性能的能源以及材料加工的材料領域之間的深度交叉并不明顯。其中，介電特性是彼此都關注的交叉點，這與實際的研究內容是吻合的，因為在這一方向的論文中，都不能逃離與介電有關的討論。

圖3.6 儲能陶瓷論文中的核心關鍵詞密度分布

圖3.6的關鍵詞熱度向我們展示了這一領域的成果更加關注材料性能，這和其他能源類領域是一致的。但對于結構-性質-應用間的深度研究很少，多數論文的性能與解釋基本上圍繞的都是學科內固化的“思維定向”：構建弛豫體、誘導反鐵電、處在多相間、無機混聚合。同傳統鐵電壓電領域相比，這個方向的研究更注重實際性能，然而，宏觀性能的科學內核永遠逃不開微觀層面的牽引作用，材料體系、材料組成、晶體構筑、和晶格振動層面的微觀特征是真正影響其宏觀性能的結構內核，筆者預測，一旦大部分可測材料體系都已經被挖掘殆盡的時候，會出現領域里的深度“洗牌”，部分研究者會繼續走向深水區捕獲更本質的影響因素，未來如何，我們拭目以待。

從目前的發文量來看，現在可能正處于持續上升和平穩發展的交匯點，這同筆者在前不久分析石墨烯十六年來的發展軌跡得到的信息是類似的。但是，同石墨烯不同，儲能陶瓷的研究領域更加“小眾”。從功利的角度來看，如果想在頂級期刊發表這一領域的成果，必須要在研究的深度、和其他學科的融合度，以及更宏大的研究戰略上進行思考，盡管頂刊不能代表基礎科學真正的突破，但至少可以反映學科融合的深度。

非線性滯回有能，鐵電百年開新篇。

緊握晶格電子態，一步更比一步強。

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