滚球体育 资讯写作大赛｜Nano Energy: 纳米电机研究的演进趋势探析-阶段化文献耦合分析视角

材料人首届滚球体育 资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我），受到读者们的广泛关注。本文为大赛首篇投稿作品，文章作者为李牧南、Alan Porter和王中林三位老师，感谢华南理工大学工商管理学院李牧南老师投稿。

【引言】

尽管在2006年以前，也有研究者提出了“nanogenerator”，但并没有涉及真正意义上的机械能采集并输出电能的概念，还只是普通意义上的纳米马达（nanomotor）的范畴，即把输入能源转化为动能。真正提出纳米发电机概念应该追溯到2006年压电式纳米发电机的提出。纳米发电机（nanogenerators）第一次被完整定义为：不依赖传统的磁场和线圈，将机械能转为为电能的纳米级装置。自从2006年压电式纳米发电机被发明和介绍以来，纳米电机研究逐渐得到全球范围内的广泛关注，而且在近年来得到了极为快速的发展，如图1所示。

Figure 1 Time sequence of relevant articles on nanogenerators in WOS

从图1可以看出，有关纳米电机研究的一个转折点，或者说增长爆发点是2009年，并且近5年以来呈现出了指数式增长态势。尤其是在2012年前后，随着性能更好的摩擦式纳米发电机的发现，纳米电机的应用更是真正进入了全面产业化的临界点，尤其是在可穿戴设备、智能传感器、绿色能源等领域。

【成果简介】

作为一种近十年以来重要的新兴能源转化和采集技术，纳米电机作为纳米技术在欧洲杯线上买球 、新材料领域的重要拓展和应用创新，已经开始在多个交叉学科领域引起广泛关注。为了进一步全面地呈现近十年以来纳米微电机研究演化的知识图谱，并呈现和预测潜在的研究前沿和市场应用前景，本文针对2006年以来的相关文献进行了文献计量分析，并基于一种阶段化文献耦合聚类分析视角，尝试全面、完整地呈现了纳米微电机研究的知识图谱演进模式，以及当前所面临的挑战和机遇。

【图文导读】

图2 ：纳米电机研究的相关主题词演变趋势分析（2006-2015）

从图2中可以看出三个阶段的主题词存在显著性差异。例如：在第一阶段中的高频词：“ZnO nanowires”, “piezoelectric nanogenerator” and “piezoelectric potential”在后续的两个阶段中持续下降，可以看出2012年的triboelectric nanogenerator(TENG)提出之后，有关压电式纳米电机的关注度有所下降，更多的研究集中在性能更好的摩擦式纳米发电机。纵观三个阶段的纳米电机发展趋势，“output voltage” 和 “mechanical energy”一直处于增长态势，显示在纳米电机领域，如何提升输出电压和提高机械能的转化效率依然是最主要的研究主题和研究热点之一。此外，从最近3年的研究热点看，“triboelectric nanogenerator”, “open-circuit voltage” 和 “self-powered system” 是主要的高频主题词之一，这显示当前的研究前沿依然是进一步提高TENG的输出电压，及其在自供电系统中的应用，这其中包括各类智能传感器和可穿戴装置等。

图3:2006-2011阶段的纳米电机研究文献的耦合聚类分析

从图3可以看出，2006-2011年间，压电式纳米电机是研究的主要热点，并且如何提高PENG的输出电压，增强电流密度，并找到更有效的压电材料是这个阶段研究的主要热点问题。

图4：2012-2013年纳米电机研究主题的耦合聚类分析

在纳米电机研究的第二阶段，可以看到有关“机械能采集”，“摩擦式纳米电机-TENG”，“自供电传感器”等主题成为热点问题，这主要是受益于摩擦生电式纳米电机在输出电压方面出现了质的飞跃，相比与早期的压电式纳米电机，TENG可以输出更高的开路电压，可以满足现有大多数传感器的供能要求，而且摩擦式纳米电机的加工过程也进一步得到简化，工业化量产也具备了一定的基础。

图5： 2014-2015纳米电机研究主题的可视化分析

随着第二阶段两种性能更为优越的纳米电机的提出，2014年以来，有关纳米电机的应用研究得到了爆发式增长，而且2014-2015年这两年的论文总数就超越了前两个阶段的总和，但是研究主题显得更为聚焦，尤其是聚焦到以摩擦式纳米电机-TENG为基础的各种理论和应用研究方面。

图6：2006-2016年纳米电机相关综述类文献的分布

截止到2016年12月，在纳米电机的研究领域，大约有73篇相关领域专家撰写的综述类论文。本文基于文献计量视角，从更加宏观的角度分析和呈现了纳米电机研究演进的路径和模式。相对而言，领域专家的综述更加侧重纳米电机研究的某个具体领域，例如：纳米电机材料、纳米电机性能等。而本文基于知识图谱的分析更为全面地呈现了相关领域研究发展的趋势，以及不同阶段研究的热点和主题。

【小结】

考虑到数据来源的权威性和完整性问题，本文选择了Web of Science作为数据来源，并采取了较为完整的复合式布尔运算来进行相关文献的检索，具体的文献检索方式可以参考原文。基于检索到为原始文献数据，结合三种典型纳米发电机提出的时间点：压电式纳米电机-PENG(2006年前后)，摩擦式纳米电机-TENG（2012年前后）和热电式纳米电机（PRNG）（2012年前后），本文提出了一个有关纳米发电机研究演化模式的三阶段模型：

(1)第一阶段 (2006-2011):以压电式纳米发电机的提出为里程碑，纳米电机（nanogenerators）从原始的纳米马达（nanomotor）真正成为一种机械能向电能转化的新兴装置和新兴技术。

(2)第二阶段 (2012-2013): 以摩擦式纳米发电机和热电式纳米发电机为里程碑，纳米电机的输出性能发生了质的飞跃。

(3)第三阶段 (2014-现在):随着TENG，以及各种混合式纳米电机的发展，基于纳米发电机的应用研究迎来了爆发式增长契机。

随着物联网、可再生能源、可穿戴装备等领域的快速发展，纳米电机在近年来面临较大的发展机遇，同时也面临一定的挑战。尽管近三年以来的相关交叉研究取得了一定的突破，但是还需要看到在物联网、绿色和可再生能源、智能装备等领域的核心学科：计算机科学、微电子、电气工程和自动控制等领域的交叉研究还较少，如何有效地将纳米电机的前沿成果扩散到相关应用领域显然还存在一定的挑战。

文献链接：Evolutionary trend analysis of nanogenerator research based on a novel perspective of phased bibliographic coupling.(Nano Energy, 2017, 34(4): 93-102).

【作者介绍】