科学计量学视角下的纳米纤维发展历程与研究热点分析

吴金红，周梦璇，黄彩云

（武汉纺织大学 管理学院，湖北 武汉 430073）

20世纪80年代德国物理学家格莱特（Gleiter）教授就纳米材料概念的提出到1990年美国召开首届纳米技术会议，标志着纳米技术正式诞生。随着纳米材料的广泛关注，纳米纤维成为了纳米科学的前沿和研究的热点。李岩[1]介绍了1990年-2011年来国内外静电纺丝纤维在过滤吸附膜、生物医学、传感器、防护应用及其他一些特殊领域中的研究现状，并展望了静电纺丝纳米纤维的发展趋势和研究方向，刘佳[2]等学者重点综述了近年来国内外研究者对一系列柔性无机纳米纤维的研究进展，卿彦[3]在比较主要纤维素纳米纤维基础上，综述纤维素纳米纤丝发展历程、加工制备、主要性能及潜在应用领域。许多学者对特定的纳米纤维研究进展进行了总结，但没有对整个纳米纤维领域的发展进行归纳，本文尝试借 CiteSpace 这一新兴的科学计量学方法，以Web of science数据库收录的发表于2000年至2019年间纳米纤维研究的相关文献为数据源，绘制 21世纪以来纳米纤维领域的科学知识图谱，并通过考察纳米纤维领域的研究走势、发文机构、研究作者、研究热点以及前沿领域等，较为全面地梳理近 20年以来纳米纤维研究的发展状况、研究热点以及未来发展方向，旨在为我国纳米纤维的发展提供一定的参考。

1 数据来源和方法

1.1 数据来源

本文数据来源于Web of sciencs（WOS）数据库。作者采用高级检索方式，以“nanofiber”为主题词，文献类型为“article”，检索日期为2019年07月19日，时间跨度为2000年—2019年，在WOS期刊数据库中进行检索。数据源包括篇名、作者、单位、关键词、摘要、年份等信息，最终共获得有效文献16838篇。

1.2 研究方法与工具

本文选择美国德雷赛尔大学陈超美教授研发的一款利用 Java语言开发的信息可视化软件——CiteSpace，该软件通过分析内在动力机制通过绘制科学知识图谱探测某一学科或者领域的热点主题以及变化趋势[4-5]。为了增加数据的可信度和准确性，对数据进行除重（Remove Duplicates），将除重后的数据导入软件进行可视化分析。利用Citespace分析纳米纤维领域的具体步骤如图1。

图1 CiteSpace操作流程图

2 纳米纤维研究的现状

2.1 时间分布

发文的时间和空间可以直接反映出纳米纤维的关注程度和研究力量的分布情况，绘制2000年—2019年以来有关纳米纤维研究的发文情况的折线图，如图2所示。

2000年以来关于纳米纤维研究整体上呈现出明显的上升趋势，发文量由最初的12篇逐步上涨到2018年的2105篇，因数据获取时间为2019年7月，2019年的研究数据尚未统计完全，故而2019年的 1336篇论文不能够代表全年数据，由趋势线可看出近20年纳米纤维研究的发文量呈上升趋势。2000年—2003年增速较缓，学术界成果不明显，4年间发文量总计315篇，年均发文量79篇，在2013年后整体上增速度较为明显，此阶段尚未出现极值，说明纳米纤维引起了学术界的广泛关注，其研究发展仍旧处于上升期并且呈现直线上升的趋势，纳米纤维技术的发展并没有达到拐点。

图2 2000-2019年纳米纤维Wos论文数量

2.2 空间分布

科研文献的空间分布反映出该领域全球的研究态势，能够帮助科研人员认识自己国家在该领域的学术地位，发现要学习和研究的竞争对手[6]。表1从地域对纳米纤维的研究进行了统计，列出排名前10的国家，数据来源于CiteSpace后台统计数据。从表1可知，纳米纤维研究文献的分布并不均匀，存在明显的差异，其主要文献集中在亚洲国家，中国、韩国、日本、伊朗、印度、土耳其等。中国是纳米纤维研究的领先国家，发文量5688篇远超越排名第2第3的美国和韩国。这样的结果源于我国非常重视纳米技术的研发，拥有一支精干的纳米科研队伍，他们主要集中于中科院和国内一批知名高校。

文献的被引用频次可以在一定程度上用来衡量论文的质量，从篇均被引频次来看，我国论文共被引用97883次，篇均17.208次，在前10名国家中排名第3位，我国在纳米纤维的研究虽然发文量大，但篇被引频次低于美国，虽然不能排除有语言上障碍的影响，但总体来说高质量的论文数量有待提高。

表1 纳米纤维研究论文前10的国家

另外，Citespace中的中心度可以反映学术研究的中介地位。中心度是常用来进行中心性测度的指标，它是指网络中经过某点并连接这两点的最短路径占这两点之间的最短路径线总数之比[7]。中心度越高说明该节点与其他节点互动的能力越强，所处的位置就越重要。在前 10国家中，我国的中心度为0.07，排在第6位，远低于美国0.37，分析原因和美国对于纳米纤维的重视以及巨额的投资密切相关，1996年以美国国家科学基金会为首的政府部门联合出资，委托世界技术评估中心成立小组走访西欧、日本和我国台湾的42所大学、工业公司和国家实验室对纳米技术的研究开发现状和发展趋势进行调研。想要提升我国在纳米纤维研究的国际地位需要促进与其他国家之间的交流。

2.3 研究机构分布

研究机构分布有助于科研人员了解本领域的研究力量分布状况。设置阈值为TOP30，选择“机构”作为分析参数，得到如图3的纳米纤维研究领域共现知识图谱，共计171个节点，428条连线，每一个节点（Node）分别代表一个机构，节点大小代表机构发文量，连线（Link代表机构之间的合作关系。纳米纤维研究机构以高校为主体，连线最多的机构为中国科学院（Chinese Acad Sci）、东华大学（Donghua Univ）、韩国全北国立大学（Chonbuk Natl Univ）、新加坡国立大学（natl univ singapore），这些机构分布于亚洲地区，可以看出东亚比较发达的国家研究发展快于其他地区。基于机构合作图谱可以看出，中国的高校和科研机构在纳米纤维研究领域的影响力越来越大，在发文量前10的机构中，中国占了5个，同时国内大学和研究结构也越来越注意同其他研究机构进行合作，图中节点连线的数量表明了机构之间的合作关系数量。

图3 纳米纤维研究机构共现知识图谱

2.4 期刊分布

论文发表的期刊能够帮助学者了解期刊的偏好，也可以帮助判断论文的质量。从统计数据来看，目前纳米纤维发表的期刊有454种，其中发文量前10的期刊如表2。由此可以看出，排名前10的期刊均为应用物理、化学和材料科学领域JCR分区靠前的期刊。

表2 载文前10的期刊

其中期刊acs applied materials & interfaces、carbon在发文量和被引上均占有优势，可以作为研究纳米纤维的重要期刊。

2.5 学科分布

纳米纤维被适用于各个领域且体现出较强的学科交叉性，对文献进行学科领域分布统计可以有效把握纳米纤维研究的重要方向，了解纳米纤维在各个领域的用途可以帮助扩展创新，根据 WOS的学科分类规则对纳米纤维领域的文献进行了学科的分类，统计结果如图4。

图4 纳米纤维领域的文献所属学科分布图

由图4可得，纳米纤维的研究成果主要集中在材料科学、高分子科学、化学物理、纳米技术等学科，换而言之纳米纤维目前在这些学科的发展较快，证明了纳米纤维研究的多学科性和学科融合性特征。

3 纳米纤维的研究重点论文与热点分析

3.1 重要论文分析

高被引文献在一定程度反映了该领域学者的关注点和研究热点，同时也是本学科科研人员开始研究需要重点阅读的“经典”文献。本文根据CiteSpace分析结果结合Wos，被引次数前10的论文见表3。可以看出，纳米纤维Top10被引论文的引用次数都超过了1000；从国别来看，集中在美国（6）、中国（2）和新加坡（2），值得关注的是，我国两篇文章都是在 2010年以后发表的。从论文分布的学科领域来看，集中在材料科学、高分子材料科学以及化学材料领域，这与纳米纤维的属性相符合。

表3 高被引论文Top10

3.2 纳米纤维研究的热点

关键词是文章核心内容的高度概括，如果某一关键词在其所在领域的理念中反复出现，则该关键词所表征的研究课题是该领域的研究热点，通过关键词统计和共现分析，有助于快速了解某一领域的研究热点。本文中，节点类型选择“key word”，设置阈值为TOP20，运行Citespace软件得到纳米纤维研究高频关键词聚类知识图谱，可以发现目前纳米纤维研究主要热点如下：

图5 纳米纤维研究的热点

第一大类是纳米纤维性能研究。对应#0 differentiation和#1 adsorption两个小类。其中第1个小类的研究聚焦在纤维上排列的细胞分化。如Lim，Shawn H.[8]等研究了排列整齐的基质地形对细胞形态的影响，以及成年神经干细胞(ANSCs)的神经分化能力。Subramony， Siddarth D[9]等设计了一种排列整齐的聚乳酸-糖醇内酯(PLGA)纳米纤维支架，具有与韧带再生生理相关的力学性能。除了展示纳米纤维支架在 hmsc介导的功能韧带组织工程中的潜力外，化学和机械刺激对干细胞分化的相互作用产生了新的见解。Gelain， Fabrizio[10]等认为控制细胞微环境被认为是成功应用再生医学策略生物材料的关键。在某些情况下，在分子水平上观察到两个扩散分子群体：一个完全在溶剂中扩散，另一个表现出迁移受阻。

第2小类研究聚焦通过纤维的吸附性制作吸附材料。如Li， Yan[11]等考察了Cd(II)和Pb(II)离子在水溶液中的吸附性能，制备的Cd(II)离子印迹电纺交联壳聚糖纳米纤维毡可作为重金属废水中Cd(II)和Pb(II)的有效吸附剂。Wu， Shengju[12]采用静电纺丝法制备了巯基功能化介孔聚乙烯醇/二氧化硅复合纳米纤维膜和纯PVA纳米纤维膜。通过六种回收工艺保持了PVA/SiO2复合纳米纤维膜的吸附能力。Zhao， Rui[13]利用吸附等温线和吸附动力学研究了吸附的基本性质，为重金属离子废水处理提供了一种有前景的吸附剂。

第二大类是纳米纤维的制备方法研究。主要包括两个小类#2 nanofiber和#4 electrospinning，聚焦于电纺聚合物纳米纤维的加工、结构与性能及应用等方面的研究。如 Huang， ZM[14]对电纺聚合物纳米纤维的加工、结构与性能表征、应用、建模与仿真等方面的研究进展进行了综述，介绍了超细纤维静电纺丝用聚合物及其加工条件。DOSHI， J[15]指出产生聚合物溶液的带电射流在空气中传播时，留下带电的纤维可以被电偏转或收集在金属屏幕上。用不同的聚合物制备出具有不同截面形状和尺寸的纤维。Reneker， DH[16]用数学模型对电纺聚合物纳米纤维形成聚合物溶液的失稳原因进行了分析和说明。静电纺丝作为一种静电纤维制造技术已经制备了种类丰富的纳米纤维，在生物医用材料、过滤及防护、催化、能源、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大作用。

第三大类是纳米复合纤维的研究。对应于图中#3 fiber和#5 nanocomposites。前者聚焦于纳米纤维的来源、类型、结构、组成及力学性能等方面的研究进展。如Bhardwaj， Nandana[17]等讨论了静电纺丝理论、可纺聚合物、溶液和工艺参数对纤维形态、溶剂性能和熔体静电纺丝性能的影响。Deitzel， JM[18]系统地评估了纺丝电压和溶液浓度这两个最重要的工艺参数对纤维形态的影响。发现纺丝电压与纤维中微球缺陷的形成密切相关，溶液浓度对纤维尺寸的影响最大。后者（#5 nanocomposites）聚焦于纳米复合纤维的亲水性及其应用特性。如Zhang， Kai[19]在酸性条件下聚合制备了化学改性石墨烯和聚苯胺纳米纤维复合材料。将不同质量比的氧化石墨烯/聚苯胺复合材料还原为石墨烯，然后对还原后的聚苯胺进行再氧化和规化，得到石墨烯/聚苯胺纳米复合材料。研究数据表明，无论是将化学改性石墨烯与PANI掺杂，还是将体积较大的PAN与石墨烯/氧化石墨烯掺杂，都可以获得高的比电容和良好的循环稳定性。

第四大类是纳米纤维的结构研究。对应于图中的#6 nanostructure研究中Reddy， Kakarla Raghava[20]通过对有机污染物的分解，测试了功能二氧化钛与碳纳米复合材料的光催化性能。性能的提高是由于一维同轴纳米结构的带隙修饰，其中锐钛矿相与纳米碳结合，在有限的空间内提供了较大的表面体积比。Ahmed， Sk.Faruque[21]利用混合离子束系统研究了聚丙烯(PP)在Ar离子束辐照下的表面形貌演化，将纳米结构转化为较长时间的三维纳米纤维状纳米结构。

第五大类是纳米纤维的应用研究。突出表现在#7 scaffold和#8 supercapacitor两个小类。其中第1小类的研究中，Mottaghitalab， Fatemeh[22]采用静电纺丝法制备了几丁糖/聚乙烯醇(CS/PVA)复合神经生长因子(NGF)支架，并对其在神经组织工程中的应用前景进行了展望。Xu， Xian-Yi[23]研究了几种PHA经新型相分离法制备的纳米纤维基质(支架)，以模拟天然细胞外基质(ECM)，并对PHA基质中生长的鼠源性NSCs的体外分化行为进行了表征。纳米纤维支架(基质)可促进NSC的生长和分化，可用于治疗中枢神经系统损伤。

第2小类研究中，Zhang， Kai[19]发现在充放电过程中作为超级电容电极具有高的比电容和良好的循环稳定性。Dubal， D. P.[24]综述了混合材料、材料、电极和器件在沿着拉贡曲线对角线努力前进的不同方法和尺度，通过结合电池和超级电容器材料以及存储机制来提供增强的能量和功率密度。

4 纳米纤维研究的发展趋势

4.1 纳米纤维研究的国家发展趋势

2000年-2010年美国在发文量上占有绝对的优势，这和美国自身的科研实力是密不可分的。值得注意的是，我国在纳米纤维研究上的发展非常迅速，从图6可以看出，自2010年起，我国在该领域发文数量开始超过美国，目前已经遥遥领先，数量等于前十中其他九个国家发文数之和，而美国则处于平缓上升状态。伊朗和印度近几年的发文量总体呈上升态势，且发展较好在未来有望赶超韩国和日本。

图6 各国年发文趋势图

4.2 纳米纤维研究的演进路径分析

参考文献是完成文章写作过程中参考过的文献，通过文献之间的引用关系可以将纳米纤维研究的学术成果和前沿研究以时间视图的形式展现出来，设置网络节点为引用参考文献（cited reference），选择阀值为Top20，得到以时区视图（time zone）模式从历时维度展示了引文的动变更替过程，直观展现了不同年代的关键研究成果的演进轨迹[25]。从图7大致可以看出，纳米纤维的研究经历了三个主要发展阶段：

图7 纳米纤维研究的演进路径

（1）起步阶段（2000-2007）重点在对纳米纤维的加工、结构与性能的探索性认识。如2001年DEITZEL，JM[18]系统地评估了纺丝电压和溶液浓度这两个最重要的工艺参数对纤维形态的影响，发现纺丝电压与纤维中微球缺陷的形成密切相关，随着溶液浓度的增加，纤维直径呈幂律关系增加。对电纺丝工艺及其影响纤维性能的参数有了新的认识。2002年Li， WJ[26]在研究中提到开发了一种具有独特结构的新型静电纺丝多晶硅结构，具有孔径分布范围广、孔隙率高、力学性能好等特点，符合理想工程支架的基本设计标准，在组织工程中具有潜在的应用前景，在调节组织生长方面起着重要作用。2003年Huang， ZM[27]对电纺聚合物纳米纤维的加工、结构与性能表征、应用、建模与仿真等方面的研究进展进行了综述。综述了超细纤维静电纺丝用聚合物及其加工条件。还讨论了有关技术限制、研究挑战和未来趋势的其他问题。2004年 Li， D[28]总结了纳米纤维过去三年所取得的进展和静电纺丝的机理和理论模型，以及控制静电纺丝纳米纤维的直径、形态、组成、二次结构和空间排列的能力。此外强调了一些潜在的应用与电纺纳米纤维的显著特点。

（2）发展阶段（2007-2010）。纳米纤维在静电纺纱中的应用，工艺或性能方面的研究。如 2007年Greiner， Andreas[29]指出静电纺丝可以将聚合物溶液或熔体加工成直径从几微米到几纳米不等的连续纤维。这种技术几乎适用于所有可溶性或可熔性聚合物，对聚合物进行化学改性，也可以使用添加剂进行调整。这种方法提供了获得可能具有复杂化学结构的全新材料的途径。2008年有3篇文献对纳米纤维研究产生了重要影响。Sill， TJ[30]综述了静电纺丝技术在组织工程和药物传递中的应用，指出静电纺丝在组织工程和药物传递中的应用几乎是无限的。Reneker， DH[31]研究中指出在静电纺丝中聚合物纳米纤维是由带电流体射流的产生和延伸而形成的，拓宽了纳米纤维的用途。Agarwal， Seema[32]重点介绍了静电纺丝在组织工程药物释放、创面敷料、酶固定化等生物医学应用中的重要性。对传统电纺设备进行修改以适应各种生物医学应用的具体需要。2010年Bhardwaj， Nandana[17]研究了静电纺丝理论、可纺聚合物、溶液和工艺参数对纤维形态、溶剂性能和熔体静电纺丝性能的影响。

（3）突破阶段（2011-至今）。本阶段纳米纤维的研究飞速发展，研究的内容也不断的创新，其中主要聚焦于纳米纤维复合新材料的制备与应用研究。如Xue， JJ[33]等利用陶瓷纳米纤维作为贵金属纳米颗粒的催化载体以及探索聚合物纳米纤维作为组织再生的支架材料，展示了电纺纳米纤维作为多相催化多孔载体和组织再生功能支架的独特功能。Jiang， SH[34]等根据电纺纳米纤维的分类，对不同种类的电纺纳米纤维增强复合材料进行了讨论指出了电纺纳米纤维增强复合材料未来可能面临的挑战。

通过以上分析，纳米纤维研究的演进路径可概括为：研究对象从纳米纤维材料工艺和性能到开发结构和各领域的应用，纳米纤维研究与其他学科领域的交叉融合更加密切，反映出纳米纤维具有广阔的应用前景。

图8 应关注的纳米纤维研究领域

4.3 纳米纤维研究的未来关注点

突变词是指在较短时间内迅速出现的频率较高的词，根据突现词的词频变化可以判断研究领域的前沿和趋势[35]，根据Citespace，得到纳米纤维突现主题如图8。图8展示了纳米纤维研究的部分突现值达到一定强度的关键词以及其更替的过程，这些关键词是不同时期内纳米纤维研究的热点。图中红色线条代表该关键词的突现所发生的时间区间，Begin和 End分别代表突变发生的开始时间和结束时间，Strength代表该关键词的“突现”强度，值越大表示关键词在该研究领域相应的时间区间内的影响越大，由此可见，关键词“Fiber（纤维）”在2005年-2010年是研究的热点且强度为208.1271，其持续时间最长且强度最高，表明关键词“Fiber（纤维）”的出现引起纳米纤维界的重视，学者们纷纷对其进行研究，在纳米纤维研究的相应时间内处于重要的地位。热点词在2006年-2009年、2009年-2011年尚未出现说明该阶段为学术成果产出的平淡过度期，创新度低。热点关键词的出现主要集中出现在 2011年以后标志着纳米纤维研究取得了新的突破。关键词“Water（水）”、“graphene（石墨烯）”、“supercapacitor（超级电容器）”、“drug delivery(药物输送)”、“chitosan（壳聚糖）”、“degradation（降解）”、“hydrogel（水凝胶）”、“release（排放）”、“graphene oxide（氧化石墨烯）”、“removal（去除)”是今后研究的热点。

5 结论

总的来看，纳米纤维研究领域具有以下特点：在文献方面，该领域呈现出线性增长趋势，研究热度仍然持续且在亚洲地区较繁荣；从载文期刊来看，该领域研究文献的分布于454种期刊，收录文献的期刊不仅限于材料科学领域，也有许多应用物理、 化学、纳米科技及高分子材料等领域的期刊和其学科分布的研究相吻合，说明纳米纤维受到了各界的广泛关注有多学科性和学科融合性特征；在研究热点方面，该领域的热点主要有细胞分化、吸附功能、纤维、静电纺丝、纳米复合材料、纳米结构、支架等， 其研究热点的演进经历了起步、成长和突破三个阶段。通过对纳米纤维研究热点及其演进过程分析后发现，该领域的研究早期主要是对纳米纤维的加工、结构与性能的探索性认识。此后逐渐转为对纳米纤维在静电纺纱中的应用，工艺或性能方面的研究，再转而研究纳米纤维复合新材料的制备与应用等。近两年该领域的研究则更加细化、具体，“石墨烯”、“超级电容器”、“药物输送”等是今后研究的热点。总体来看，该领域研究经历了由浅及深，由理论到实践，不断跟新技术与新理念结合的发展过程，未来旨在为传统产业提供新的动力。