文章來源：科學網 黃辛
倫敦、紐約、新加坡、香港、巴黎、北京、東京、迪拜、上海、柏林、波士頓，這些國際性大都市在科技創新方面的表現如何？它們主要關注哪些研究方向？
根據文獻的作者、機構信息，對前述全球城市TOP 1%高被引文獻，按學科類別分類統計，並選擇高被引文獻集聚度最高的10個學科類別的關鍵詞進行統計分析。
對11個全球城市考察對象檢索結果去重，遴選出重點學科類別。
對各學科類下與全球城市考察對象相關的引用率最高的10篇論文文獻，逐一進行釋讀。經過專家討論，綜合凝練出一組具有表徵意義的全球城市科技創新策源點。
綜合判定的15個科技創新策源點分別為：納米發電機、非富勒烯聚合物太陽能電池、光催化材料的太陽能轉化應用、高負荷高能鋰硫電池、鈣鈦礦類材料的光電領域應用、CRISPR/Cas9基因組編輯、心血管疾病精準治療、腫瘤PD-1/PD-L1免疫療法、抑鬱症的生物標誌物、路易體痴呆症的鑑別診斷、三維卷積神經網絡、石墨烯的電化學傳感應用、憶阻器在人工神經網絡中的應用、大氣甲烷濃度劇變、原始黑洞。
上述15個策源點分佈五大領域，分別為材料與化學、電子信息、能源與環境、生物醫藥、物理領域。
這一組策源點，反映了全球城市中科技創新基礎前沿領域的研究熱點，更具集聚全球科學家和科研人員合作研究的可能，更有產生學術全球影響力和引領科研突破的前景。
這15個科技創新策源點中，能源與環境領域分別為：非富勒烯聚合物太陽能電池、高負荷高能鋰硫電池、大氣甲烷濃度劇變，一起走近它們！
01
非富勒烯聚合物太陽能電池
聚合物 / 富勒烯太陽能電池以其成本低廉、質量輕、柔性和半透明等一系列特質，在過去數年內成為第三代太陽能電池中的研究熱點。
但富勒烯及衍生物在可見光和近紅外區具有吸收弱、化學合成步驟繁瑣、電學性能和分子結構固定等一系列缺點，導致聚合物/富勒烯太陽能電池效率進一步提高的前景不佳，而非富勒烯聚合物太陽能電池的受體材料是聚合物，在可見光區具有強而寬的吸收峰，在結構和能級上具有很高的調控度，有望代替聚合物/富勒烯太陽能電池。
然而到目前為止，非富勒烯聚合物太陽能電池的最高效率相比於聚合物/富勒烯太陽能電池仍然存在很大差距，如何提高非富勒烯聚合物太陽能電池的光電效率是當下的核心研究問題。
基於非富勒烯受體結構的疊層太陽能電池
根據高被引文獻分析，非富勒烯類受體的研究一直是該領域的研究焦點，例如以繞丹寧和噻唑烷-2, 4-二酮為端基的不對稱結構有機受體分子、含萘並二噻吩小分子受體材料、基於苝二酰亞胺結構的小分子受體、萘酰亞胺 - 卟啉星型電子受體分子等；此外，在非富勒烯聚合物太陽能電池研究中，由於聚合物太陽能電池的光活性層通常採用溶液旋塗的方式進行加工，溶劑的選擇對其形貌以及電池的能量轉化效率至關重要，同時考慮到環境因素，如何取代其中的含滷試劑，通過選擇試劑或改良加工工藝來優化活性層的形貌是最近的研究熱點之一。
從各年度國際專利申請和公開的數量來看，非富勒烯聚合物太陽能電池從2013年才逐漸發展起來，目前正處於技術萌芽期。
從公開專利的區域分佈看，中國和美國是非富勒烯聚合物太陽能電池技術的研究成效和潛力最被看好的地區。日本是非富勒烯聚合物太陽能電池技術的發展熱點地區。
在非富勒烯聚合物太陽能電池研究方向，高被引論文成果大都由我國科學家主持，相關機構包括北京大學、中科院化學所、福建師範大學、國家納米科學技術中心、西安交通大學等，國際上的領先研究機構包括北卡羅來納大學教堂山分校、瑞典林雪平大學（Linköping University）等。
02
高負荷高能鋰硫電池
鋰硫電池是化學儲能電池的一種，一般以單質硫作為電池正極，金屬鋰片作為負極，此類電池成本低，對環境友好，能量密度是其它類型鋰離子電池的數倍，在電動汽車、無人機、軍用便攜式電源、儲能系統等領域有著廣闊的應用前景，但是目前其應用還存在循環壽命短、硫負載量低等瓶頸。
根據高被引文獻分析，近期受到關注度最高的是在多尺度層次設計原則基礎上獲得高硫負載量、高能量密度鋰硫電池，主要包括正極的基礎電化學反應，硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程，顆粒設計和電極結構，負極的金屬鋰和非金屬負極，界面隔膜的修飾以及這些影響因素的綜合配置。
整體來看，發展鋰硫電池，尤其是高負載量的鋰硫電池，關鍵在於對其內部基本原理的理解。
從各年度國際專利申請和公開的數量來看，鋰硫電池從本世紀初才逐漸發展起來，2004年後才逐漸成為熱點，進入快速上升期，自2016年專利增長速度放緩，逐漸進入技術成熟期。
中國和美國是鋰硫電池技術研究成效和潛力最被看好的地區。韓國和日本是鋰硫電池技術發展的熱點地區。
在該研究方向，國內外多個高校、研究院所、電池類實驗室/公司等都在開展鋰硫電池的研發，國外以英國Oxis 和美國 Sion Power（已被 BASF公司收購）兩家公司最為著名，高被引論文成果由國內外科學家共同參與，相關機構包括中國科學院、廈門大學、清華大學、加拿大滑鐵盧大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、美國德克薩斯州立大學等。
03
大氣甲烷濃度劇變
同樣氧化碳相比，甲烷的溫室氣體身份並未得到廣泛的認識。
但據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）研究，在100年尺度上，同樣質量的甲烷累計所造成的溫室效應影響（全球變暖潛能值，GWP）是二氧化碳的 25倍；而在20年的尺度上，甲烷的 GWP 甚至可達二氧化碳的72倍。
在世界各國的共同努力下，目前全球二氧化碳的排放量正趨於穩定。然而大氣中甲烷濃度加速上升的趨勢令人吃驚。
在21世紀初，甲烷濃度每年大約上升 0.5ppb；到了2014年和2015年，這一數字則達到了10ppb。十多年的時間裡甲烷濃度增長的速度加快了約二十倍。
同時由於缺乏監控，對於甲烷的來源難以做到像二氧化碳一樣的準確定位。專家推測農牧業生產、化石能源開採、北極凍土消融等都可能是主要來源。
目前，“全球碳計劃”組織開始每兩年公佈一次“全球甲烷預算”，併成為了相關研究的重要依據。
法國凡爾賽大學、法國氣候科學與環境實驗室、意大利國立地球物理與火山學研究所、荷蘭烏得勒支大學、瑞典林雪平大學等機構都參與了報告的編制。
NASA創建全球大氣甲烷累積與移動的3D模型
