科技資訊寫作大賽｜Nano Energy: 納米電機研究的演進趨勢探析-階段化文獻耦合分析視角

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我），受到讀者們的廣泛關注。本文為大賽首篇投稿作品，文章作者為李牧南、Alan Porter和王中林三位老師，感謝華南理工大學工商管理學院李牧南老師投稿。

【引言】

盡管在2006年以前，也有研究者提出了“nanogenerator”，但并沒有涉及真正意義上的機械能采集并輸出電能的概念，還只是普通意義上的納米馬達（nanomotor）的范疇，即把輸入能源轉化為動能。真正提出納米發電機概念應該追溯到2006年壓電式納米發電機的提出。納米發電機（nanogenerators）第一次被完整定義為：不依賴傳統的磁場和線圈，將機械能轉為為電能的納米級裝置。自從2006年壓電式納米發電機被發明和介紹以來，納米電機研究逐漸得到全球范圍內的廣泛關注，而且在近年來得到了極為快速的發展，如圖1所示。

Figure 1 Time sequence of relevant articles on nanogenerators in WOS

從圖1可以看出，有關納米電機研究的一個轉折點，或者說增長爆發點是2009年，并且近5年以來呈現出了指數式增長態勢。尤其是在2012年前后，隨著性能更好的摩擦式納米發電機的發現，納米電機的應用更是真正進入了全面產業化的臨界點，尤其是在可穿戴設備、智能傳感器、綠色能源等領域。

【成果簡介】

作為一種近十年以來重要的新興能源轉化和采集技術，納米電機作為納米技術在新能源、新材料領域的重要拓展和應用創新，已經開始在多個交叉學科領域引起廣泛關注。為了進一步全面地呈現近十年以來納米微電機研究演化的知識圖譜，并呈現和預測潛在的研究前沿和市場應用前景，本文針對2006年以來的相關文獻進行了文獻計量分析，并基于一種階段化文獻耦合聚類分析視角，嘗試全面、完整地呈現了納米微電機研究的知識圖譜演進模式，以及當前所面臨的挑戰和機遇。

【圖文導讀】

圖2 ：納米電機研究的相關主題詞演變趨勢分析（2006-2015）

從圖2中可以看出三個階段的主題詞存在顯著性差異。例如：在第一階段中的高頻詞：“ZnO nanowires”, “piezoelectric nanogenerator” and “piezoelectric potential”在后續的兩個階段中持續下降，可以看出2012年的triboelectric nanogenerator?(TENG)提出之后，有關壓電式納米電機的關注度有所下降，更多的研究集中在性能更好的摩擦式納米發電機。縱觀三個階段的納米電機發展趨勢，“output voltage” 和?“mechanical energy”一直處于增長態勢，顯示在納米電機領域，如何提升輸出電壓和提高機械能的轉化效率依然是最主要的研究主題和研究熱點之一。此外，從最近3年的研究熱點看，“triboelectric nanogenerator”, “open-circuit voltage” 和?“self-powered system” 是主要的高頻主題詞之一，這顯示當前的研究前沿依然是進一步提高TENG的輸出電壓，及其在自供電系統中的應用，這其中包括各類智能傳感器和可穿戴裝置等。

圖3:2006-2011階段的納米電機研究文獻的耦合聚類分析

從圖3可以看出，2006-2011年間，壓電式納米電機是研究的主要熱點，并且如何提高PENG的輸出電壓，增強電流密度，并找到更有效的壓電材料是這個階段研究的主要熱點問題。

圖4：2012-2013年納米電機研究主題的耦合聚類分析

在納米電機研究的第二階段，可以看到有關“機械能采集”，“摩擦式納米電機-TENG”，“自供電傳感器”等主題成為熱點問題，這主要是受益于摩擦生電式納米電機在輸出電壓方面出現了質的飛躍，相比與早期的壓電式納米電機，TENG可以輸出更高的開路電壓，可以滿足現有大多數傳感器的供能要求，而且摩擦式納米電機的加工過程也進一步得到簡化，工業化量產也具備了一定的基礎。

圖5： 2014-2015納米電機研究主題的可視化分析

隨著第二階段兩種性能更為優越的納米電機的提出，2014年以來，有關納米電機的應用研究得到了爆發式增長，而且2014-2015年這兩年的論文總數就超越了前兩個階段的總和，但是研究主題顯得更為聚焦，尤其是聚焦到以摩擦式納米電機-TENG為基礎的各種理論和應用研究方面。

圖6：2006-2016年納米電機相關綜述類文獻的分布

截止到2016年12月，在納米電機的研究領域，大約有73篇相關領域專家撰寫的綜述類論文。本文基于文獻計量視角，從更加宏觀的角度分析和呈現了納米電機研究演進的路徑和模式。相對而言，領域專家的綜述更加側重納米電機研究的某個具體領域，例如：納米電機材料、納米電機性能等。而本文基于知識圖譜的分析更為全面地呈現了相關領域研究發展的趨勢，以及不同階段研究的熱點和主題。

【小結】

考慮到數據來源的權威性和完整性問題，本文選擇了Web of Science作為數據來源，并采取了較為完整的復合式布爾運算來進行相關文獻的檢索，具體的文獻檢索方式可以參考原文。基于檢索到為原始文獻數據，結合三種典型納米發電機提出的時間點：壓電式納米電機-PENG(2006年前后)，摩擦式納米電機-TENG（2012年前后）和熱電式納米電機（PRNG）（2012年前后），本文提出了一個有關納米發電機研究演化模式的三階段模型：

(1)第一階段?(2006-2011):以壓電式納米發電機的提出為里程碑，納米電機（nanogenerators）從原始的納米馬達（nanomotor）真正成為一種機械能向電能轉化的新興裝置和新興技術。

(2)第二階段?(2012-2013): 以摩擦式納米發電機和熱電式納米發電機為里程碑，納米電機的輸出性能發生了質的飛躍。

(3)第三階段 (2014-現在):隨著TENG，以及各種混合式納米電機的發展，基于納米發電機的應用研究迎來了爆發式增長契機。

隨著物聯網、可再生能源、可穿戴裝備等領域的快速發展，納米電機在近年來面臨較大的發展機遇，同時也面臨一定的挑戰。盡管近三年以來的相關交叉研究取得了一定的突破，但是還需要看到在物聯網、綠色和可再生能源、智能裝備等領域的核心學科：計算機科學、微電子、電氣工程和自動控制等領域的交叉研究還較少，如何有效地將納米電機的前沿成果擴散到相關應用領域顯然還存在一定的挑戰。

文獻鏈接：?Evolutionary trend analysis of nanogenerator research based on a novel perspective of phased bibliographic coupling. (Nano Energy, 2017, 34(4): 93-102).

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