技术工具对科学发展促进作用的计量研究——以扫描隧道显微镜技术为例

谢彩霞，李金霏

(河南师范大学 政治与公共管理学院，河南 新乡 453002)

技术工具对科学发展促进作用的计量研究
——以扫描隧道显微镜技术为例

谢彩霞，李金霏

(河南师范大学 政治与公共管理学院，河南 新乡 453002)

本文运用量化分析方法，研究扫描隧道显微镜(STM)这一具体技术向多学科知识结构以及理论界热点研究领域的动态演化特征。研究结果表明，STM技术涉及的学科领域主要属于自然科学类、工程科技类和信息科技类，各学科对该技术的反应速度和与该技术相关的研究成果量呈正相关。从与STM技术相关的科学知识结构看，STM技术产生于量子力学、固体物理、化学物理、电子物理、机械工程和控制论等学科之中，同时这项新技术的产生又催生了纳米科技、表面科学等研究领域的迅速发展。运用Citespace技术研究发现近年与STM技术相关的突变词主要有分子束外延、石墨烯和量子计算机等，与这些关键词相关的研究应是当今的热点领域。

技术工具；科学发展；扫描隧道显微镜(STM)

一、问题的提出

长期以来，科学与技术之间的关系是许多学科领域关注和争论的重要命题之一，特别是在当今大科学时代，科学与技术间的关系更为复杂密切，界限也越来越模糊，这就需要以新的系统观点进一步认识科学与技术之间、科学与科学之间以及技术与技术之间的关系。这也是当代学者研究的一个热点问题。很多学者运用定性分析方法从宏观层面多角度对二者关系进行探究。譬如，科学与技术的演化发展动态过程是相互独立还是共同演化问题的讨论[1-4]，通过梳理科学与技术发展的历史过程探究二者关系的本质[5，6]，科学与技术在知识同源状态下的共生互动关联模式[7，8]，现代经济社会发展背景下科学与技术的关系[9，10]，等等。

当前对科学与技术关系问题研究的另外一种方法是量化分析方法。其中运用较多的是文献计量分析方法。科学和技术在长期发展过程中相互影响、相互依赖、相互促进，科学为技术的发展提供理论基础，为技术创新做了知识上的准备；而技术的需要和进步又为科学提供新的研究课题、研究工具和探索手段[11]。但同时，科学和技术作为人类认识自然和改造自然整体过程中的两个不同阶段，它们在所属范畴、表现形态和衡量标准等方面又有很大区别。科学研究成果的表现形式主要是学术论文，技术创新的成果表现形式主要是发明专利，论文和专利分别是科学成果和技术成果的知识载体。这些文献之间的互相引用体现了其间知识的内在关联和知识流动的方向与过程，通过研究论文和专利的各种指标、内容以及互相引用特征，便能够从量化角度客观揭示科学与技术之间以及基础研究与技术创新之间相互渗透、影响与促进的关系。通过探究具体学科领域论文和专利的引用链接关系能够从微观角度具体分析不同学科领域间科学与技术相互作用的内在机理。

专利和论文之间的引用是双向的，专利对论文的引用在某种程度上反映了技术发明对科学研究成果的吸收和利用，通过专利对论文的引用特征和规律的分析，能够揭示科学研究对技术创新的影响和推动作用。研究专利和引用论文运用的具体指标主要有论文引文的时间分布、地域分布、期刊分布以及主题分析和学科类别等。Carpenter M P和Narin F.较早运用专利的论文引文分析研究科学与技术关系[12]。Tijssen运用USPTO1987-1996年间授权专利引用科学文献的数据，基于社会网络分析方法研究了科学与技术领域的关系[13]。Van Looy B将专利的论文引文分析与计量经济模型方法结合，研究得出科学关联度与技术领域有较强的相关性[14]。还有学者利用论文引文探讨科学对技术的关系特征。Narin研究了生物科学领域专利与论文间的引用关系，发现生物科学领域高新技术与基础科学之间的关系紧密[15]。Zhao Zhiyun等对中国生物技术领域进行了实证研究，发现该技术领域与基础研究关系也比较密切，并呈现出随时间推移而越来越相关的趋势[16]。

论文对专利的引用则反映了技术对科学的反向作用，通过论文引用专利的规律可以揭示基础研究与技术创新之间另一个层面的关联关系，测量技术对科学的影响。譬如，Glanzel W和Meyer M通过分析SCI论文对USPTO专利引用构建了学科领域与技术领域的内在联系，指出不同学科关联度有显著差异[17]。但是，相比之下，运用论文对专利的引用探究科学与技术关系的定量研究相对较少。主要原因在于论文对专利的引用量一般比较少，且不易查询，数据量的不足导致统计学意义上分析结果的可信度。杨祖国、陈红等曾通过SCI数据库收集中国专利被科技论文引用情况，探索中国专利技术被科学研究利用的情况及规律，但他们在结论中提到，统计的来源数据较少，统计分析结论具有一定局限性[18]。吴菲菲等人基于论文和专利的相互引用数据构建科学引用技术的关系网络和技术引用科学的关系网络，结合社会网络方法分析科学和技术之间的相互作用关系，识别具有较高网络中心性的学科领域和技术领域。通过学科领域与技术领域之间的交叉影响，实现科学知识和技术应用之间的跨领域转移。但他们进行论文引用专利分析时选用的数据仍是来源于2003年Glanzel W等的基础数据[19]。技术工具对科学发展的促进作用早已为人们所认识，但是量化研究呈薄弱之势。特别是当今技术发展超前从而带动科学研究的发展已屡见不鲜。新技术的应用为科学研究提供前所未有的观察或实验，为科学研究提供新的原料，从而引起科学家进行深层次的科学研究，实现基础科学研究的突破，这是技术驱动科学发展的一个方面。当然，技术进步也为科学研究提供新的内容，新技术在实际应用过程中可能会产生一些全新的问题，从而刺激进一步的科学研究。因此，现代科学研究的发展与突破通常发生在重要技术改进之后。如果没有技术的运用，科学就难以得到发展。要实现生物科学的飞速发展，必须将新兴技术与生物学研究相结合[20]。

在本项研究中，运用不同于专利引用论文的分析，我们从一项具体技术成果入手，来研究某一具体技术方法对科学研究的影响，以新技术工具扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)为例，考察该技术成果对科学发展的促进作用，以及对各门学科的影响。1981年，国际商业机器公司苏黎世实验室的GerdBining和Heinrich Rohrer及实验室其他工作人员共同研制了世界第一台新型表面分析仪器——扫描隧道显微镜。这种扫描隧道显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个原子的面积。因为，扫描隧道显微镜的应用开拓了包括纳米科技在内的许多新领域，迅速渗透到各个科学研究领域中，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成果之一。为此，扫描隧道显微镜的发明者GerdBining和Heinrich Rohrer与电子显微镜的发明者Ernst Ruska分享了1986年的诺贝尔物理学奖。

二、数据来源与研究方法

以中国学者发表在国内文献(CNKI数据库)和国外文献(SCI数据库)为基础，在CNKI数据库中以“扫描隧道显微镜”、“隧道扫描显微镜”、“STM”、“扫描穿隧式显微镜”为检索词进行检索，发现最早的文献出现在1985年，于是我们将考察的时间段设定为1985年—2015年，共获得2223篇相关文献。下文将上述四个主题词统一称为“扫描隧道显微镜”。在SCI数据库中以TOPIC=(SCANNING TUNNEL* MICROSCOP*) AND ADRESS=(PEOPLES R CHINA)为检索式进行检索，获得文献2485篇。图1展示了两个数据库检索得到的文献按时间分布情况。可以看出，CNKI论文2001年以前呈现波动上升的趋势，之后迅速下降。SCI论文首发于1989年，2005年开始迅猛增长。一种可能的解释是，大量与扫描隧道显微镜相关的研究论文自2005年开始投向国际期刊。鉴于此，为实现数据上的相互补充，在研究中我们将两个数据库结合起来进行分析。

目前用于科学计量学和文献计量学研究的软件方法和技术手段有很多，每个软件都有自己独特的风格，有自己的优劣势，我们根据不同的研究内容选择不同的软件功能。我们运用UCINET进行数据的中心性计算和可视化网络构建时，首先通过CITESPACE的转换功能将数据转换成BIBEXCEL能够识别的格式，运用BIBEXCEL构造出供UCINET分析的矩阵形式。CITESPACE的一个独特之处在于其可以探测某一知识领域的研究进展和研究前沿的动态演化过程，该软件能够通过BURST DETECTION算法从大量题录词中检测出突变词，根据词频的急速变动趋势来分析科学的前沿领域和发展动向，而不仅仅是通过词频的高低来实现。所以，在本文研究中，我们根据研究内容的变化，选择相应的技术手段进行研究。

三、STM技术向科学研究领域的渗透

(一)STM技术的学科应用广度分析

STM技术天生属于交叉科学，其根深植于量子力学、固体物理、化学物理、电子物理、机械工程和控制论之中。这项技术应用的学科范围也极其广大，我们从STM应用于各学科而产生的科研成果量进行分析。按照CNKI和SCI数据库的学科分类标准，从CNKI检索出的主题为扫描隧道显微镜的2223篇文献数据分属于40个不同的学科领域(见图2)，从SCI数据库检索的2485篇论文成果分属于43个学科领域(见图3)。相比之下，SCI收录的论文成果学科种类更为广泛，但数量上相对集中，仅物理和化学就占总论文量的近60%，说明STM技术对各门学科的发展影响差异较大。

(二)STM技术向各学科渗透速度探测

STM技术发明之后，这一新兴技术向我国各学科领域开始渗透。根据数据库收录论文数据的时间特点，这里我们选取CNKI数据库检索的数据进行研究。我们以STM技术发明时间与各学科首次发表论文成果的迟滞时间作为指标进行研究。由此，我们做以下定义：对于某学科A，设该学科首次发表主题含有STM的论文时间为T，STM技术发明时间为T0，学科A的反应迟滞时间为ΔT，则ΔT=T-T0+1。据此我们计算得出各学科对STM技术反应的迟滞时间测度结果，并将论文成果量排序前14位的学科指标测度结果以图4展示出来。图4左轴表示各学科对STM技术反应的迟滞时间，右轴表示各学科主题含有STM的论文成果量。由图可见，14个学科中，仪表仪器工业对STM技术的反应最快，迟滞时间为5.3年。1985年4月和5月戴道宣、沈电洪等最先发表《扫描隧道显微镜》、《扫描隧道显微镜的工作原理及其进展》，将STM的概念和原理引入该学科。总体来看，对该技术的反应速度和与该技术有关的文献量呈正相关，反应速度快的学科，其文献量相应也越大。

四、STM技术对科学促进作用的测度

布鲁克斯曾提出人类可以将各个知识节点绘制成表征知识结构的知识地图，以体现科学知识之间的结构与关系[21]。知识元是最小的知识节点，是表达知识内容的主题词或关键词的集合[22]。刘则渊教授指出，某个关键的知识单元在一定条件下可能扮演知识基因的角色，决定着特定领域知识的进化与突变。在下面研究中，我们以检索出的数据结果中高频关键词作为研究对象，探讨与STM技术相关科学成果潜在的知识结构以及涉及主要知识领域研究热点的动态演化过程，揭示STM技术工具对科学发展的促进作用以及对新技术产生的影响。

(一)与STM技术相关的研究领域知识结构分析

我们分别对两个数据库中频次排序前60位的高频关键词进行分类观察，发现显微镜系列的仪器工具关键词有扫描电子显微镜、光学显微镜、扫描显微镜、扫描近场光学显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、扫描探针显微镜、显微学、显微技术。继STM技术工具发明之后，人们对该技术进行改进，使之能够在真空、低温、磁场等多种特定条件下进行工作。同时在STM原理基础上发明了一系列新型扫描探针显微镜，如原子力显微镜、扫描电容显微镜、扫描近场光学显微镜、扫描近场声显微镜、扫描近场热显微镜、扫描电化学显微镜等。这些新型显微镜的发明为探索各种物质表面或界面的特性提供了有力的工具，也进一步促进显微镜制造技术和显微观察技术的迅速发展。

自从STM技术发明后，以0.01-100nm尺度为研究对象的前沿科学——纳米科技便走进人们的视野，利用STM对物质表面进行纳米级加工，包括对原子、分子的操纵和对表面的刻蚀。在考察的关键词中，与纳米相关的关键词有纳米、纳米材料、纳米电子学、纳米化、纳米科学、纳米技术、纳米科学技术、碳纳米管、纳米尺度、金纳米粒子、纳米加工、纳米结构、纳米器件、纳米生物学、纳米粒子、纳米线、碳纳米材料等。

STM技术的问世巨大推动了表面科学的发展，为表面科学中表面原子排列、单晶表面结构、表面结构研究提供了有力的技术工具，为回答“原子在哪里”、“原子是如何运动的”等基本问题提供了客观依据。与物质表面相关的关键词有表面结构、表面形貌、表面粗糙度、物质表面、金属表面、硅表面、石墨表面等。同时，还有表示物质结构层次和尺度的关键词：单层、分子、单分子、单原子、头发丝、原子层、原子尺度、原子级等。另外，SCI数据库检索到的相关数据中，表征具体物质的关键词也较多，比如铜(CU100、CU110、CU111)、碳(C-60、CARBON、CARBON NANOTUBES、CARBON-MONOXIDE)、硅(SI(001)、SI(100)、SI(111)、SILICON)等。CNKI数据库检索到的数据中有三个表示人物的高频关键词，一位是著名物理学家费曼，这是最早提出纳米概念的诺贝尔奖获得者；另一位是发现C-60分子的化学家斯莫利；还有一位是我国扫描隧道显微镜第一人、纳米科技专家白春礼。谈及中国的STM技术必定不能越过白春礼院士。1988年，我国第一台只用一台微机控制、具有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜(STM)在白春礼的带领下研制成功。之后白春礼领导的科研小组又成功研制出我国第一台原子力显微镜(AFM)。STM和AFM的研制成功和应用，使我国在这些领域迈入世界先进行列。除了仪器的研制外，白春礼还从事STM的应用研究，迅速将STM技术应用到纳米研究领域，并取得了突出的成绩。在白春礼等人的前导作用下，我国的STM表面分析领域也蓬勃发展起来，为STM在不同学科领域的应用起到了开拓和促进作用。

运用关键词进行研究热点演进和共现网络分析，关键词共现网络是依据关键词的共现强度而构建的共现关系网络，通过考察该网络以期探索连通知识的桥梁和科学领域的知识结构。在关键词共现网络中，每个关键词是网络中的网络节点，网络连线表示关键词间的共现关系。接下来我们对网络节点的中心性进行分析，揭示每个节点在整个知识结构网络中的地位以及与其他知识单元的关系。测度中心性的指标主要有三个：度中心性(DEGREE)、中介中心性(BETWEENNESS)、接近中心性(CLOSENESS)。

表1 关键词中心度计算结果列表

表1中表明的是各种中心性度量指标较高的前25个关键词的中心度计算结果。计算结果表明，各中心性指标计算结果排序与关键词的词频排序并不一致，有些词频排序较低的关键词，其中心性指标计算结果反而比较靠前。比如中介中心性指标计算结果中，光学显微镜的词频排序在总体关键词中占据第九位，但在中介中心性方面排序第三。还有其他词频排序与中介中心度排序差异较大的关键词，譬如原子晶格、碳原子、分子级、微型机器人、微米技术、有机薄膜、小尺寸效应、铜等。而且各关键词的中心性指标计算结果位次差异也较大。关键词扫描隧道显微镜、纳米技术、光学显微镜和扫描探针显微镜的三个中心性指标均在前25位。只有度中心性和中介中心性指标计算结果位于前25位的关键词有表面结构、表面形貌、单分子、硅、纳米材料、纳米化和纳米加工。只有中介中心性和接近中心性指标计算结果在前25位的关键词有生物分子、生物大分子、碳原子、微米技术、微型机器人、小尺寸效应和原子晶格。图5展示的是借助UCINET软件可视化工具选择度中心性得到的前40位高频关键词的网络结构关系图。

(二)与STM技术相关的热点研究领域分析

通过探测关键词突变来分析与STM技术相关的科学研究的热点领域变化情况。某一主题下的突变词(burst terms)是指该主题在某时间段内频次变化较大的词或短语。突变词是某一主题领域研究热点突然增长的标志，是该主题未来发展趋势或方向的重要量度。相对于传统的高频词分析，关键词词频的突变情况更适合探测科学研究热点的转移和研究发展的新趋势。在利用探测技术和算法进行突变词分析时，我们将运用CITESPACE中的BURST DETECTION功能进行研究，该功能根据关键词词频在某时间段的突变信息来度量其深层次变化。

图6显示的是突变强度前20位的关键词突变情况。这前20位关键词中有10个关键词均与纳米直接相关。从突变强度来看，突变强度最大的是纳米技术，突变时间是2000-2004年，突变强度达到19.09。其次是原子级，强度达到11.16，突变时间是1989-1995年；突变强度位次第三的是关键词原子力显微镜，突变时间是从2005到2009年。从时间上来看，1995年以前发生突变的关键词主要有原子尺度、光学显微镜、物质表面、原子级等。从2000年开始突变的关键词基本都与纳米相关，比如纳米技术(2000-2004年)、碳纳米材料(2000-2001年)、纳米化(2000-2003年)、纳米材料(2000-2004年)、纳米器件(2001-2005年)、纳米(2003-2006年)以及两位纳米领域科学家斯莫利(2000-2001年)和费曼(2000-2001年)。2002年和2003年突变的关键词是隧道电流(2002-2008年)和自组装(2003-2011年)，最近几年突变的是关键词分子束外延(2010-2015年)、石墨烯(2011-2015年)以及量子计算机(2012年)。由此可以预测与分子束外延、石墨烯和量子计算机相关的研究应是当今的研究热点。

五、结论与讨论

科学与技术之间存在着密切而又复杂的关系，不少学者在对二者关系进行量化分析时，大多是通过专利对论文的引用分析揭示科学对技术的支撑和推动作用，通过论文对专利的引用分析来探讨技术对科学的影响和促进。在本文研究中，我们从一项具体技术成果入手，研究STM这一具体的新技术方法对科学研究领域各门学科的渗透机理，在这项技术成果影响下的科学知识结构以及由此产生的科学研究热点领域的动态演化过程。由此，本文运用CNKI数据库和SCI数据库检索的相关文献数据，借助UCINET和CITESPACE中的相关功能，对数据进行量化研究，得出主要结论。

与STM相关的文献最早出现于1985年，之后以迅速稳定的增长态势发展，涉及的学科领域主要属于自然科学类、工程科技类和信息科技类。STM技术向各门学科渗透的速度不同，不同学科对STM技术的反应有差异，总体来看，各学科对该技术的反应速度和与该技术相关的文献量呈正相关。从与STM技术相关的文献知识结构来看，STM技术产生于量子力学、固体物理、化学物理、电子物理、机械工程和控制论等学科土壤之中。同时这项新技术的产生，既催生相关学科的发展，又促进新的相关技术的进步。科学与技术工具既互相影响互相促进，同时又沿着各自的轨迹并行发展。

在关键词共现网络结构中，根据网络中心性的计算结果，扫描隧道显微镜、纳米技术、扫描探针显微镜、光学显微镜的三个中心度指标都比较靠前。值得注意的是，关键词原子晶格、微型机器人、小尺寸效应、生物大分子等虽然从词频排序上不在高频关键词之列，但这些关键词的中介中心性和接近中心性均靠前，在关键词共现结构网络中占据重要位置。运用突变词方法对与STM技术相关的热点研究领域进行探究，发现近年的突变关键词是分子束外延、石墨烯和量子计算机。可以预测与这些关键词相关的研究应是未来科学新技术发展的增长点。

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[责任编辑 陈浩天]

10.16366/j.cnki.1000-2359.2017.03.016

谢彩霞(1968-)，女，河南上蔡人，管理学博士，河南师范大学政治与公共管理学院科技与社会研究所教授，主要从事科技发展规律与机制研究。

河南省高校哲学社会科学基础研究重大项目 (2015-JCZD-021)；河南省高等学校软科学重点研究项目(15A630070)

C931

A

1000-2359(2017)03-0095-07

2016-11-17