基于论文和专利计量的纳米技术研发态势研究

颠覆性技术是具有革命性影响的技术，能够迅速颠覆现有技术的发展轨迹、行业市场格局，进而改变人们的生产生活方式。其中，纳米技术是在纳米尺度上（1~100纳米）研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学技术，诞生于20世纪90年代，有望给医学、制造业、材料和信息通信等诸多行业带来变革。21世纪，全球范围内掀起了纳米技术的研究热潮，产出了一大批研究论文，相关专利数量激增，全球主要国家相继制定发展战略和计划，有力推动了纳米技术的发展。

科技论文是科研创新的重要成果，是衡量国家及创新主体基础科研能力的重要指标。专利包含技术、经济等多方面信息，是衡量国家及创新主体应用研究能力的关键指标。本研究基于Wed of Science论文数据库和Innography专利数据库，检索得到1990—2019年的全球纳米技术科技论文数据1387361条和专利数据563428条（同族扩展，申请专利）。专利/论文的主题检索词为：

((nano*)NOT((nano2)OR(nano3)OR(nano4)OR(nano5)OR(nanosecon*)OR(nanogram*)OR(nanomol*)OR(nanophtalm*)OR(nanomeli*)OR(nanogeterotroph*)OR(nanoplankton*)OR(nanokelvin*)OR(nanocurie*)OR(nanos1)OR(nanoproto*)OR(nanophyto*)OR(nanoflagellate*)OR(nanoliter)OR(nanometer)OR(nanoampere)OR(nanofarad)OR(nanog)))。数据检索日期为2022年5月7日。结合论文和专利产出情况，本文从多个维度分析了全球纳米技术的基础研究和应用研究情况，以清晰展示全球纳米科技的发展态势。

1990—2000年全球纳米技术论文发表量和专利申请量呈缓慢增长趋势，纳米技术基础研究和应用研究领域均进展缓慢，见图1。2000年之后论文数量呈现大幅增长趋势，基础研究领域迅猛发展。专利数量亦增长较快，应用研究领域快速发展。自2005年起，纳米技术论文数量一直领先于专利数量，由此可见，近年来全球的研究重点仍以纳米技术基础研究为主，应用研究领域亟待突破。

采用S曲线模型法对全球纳米技术生命周期进行分析，见图2。对比S曲线模型，2000年之前全球纳米技术研究进展缓慢，曲线接近平直，纳米技术处于导入期。2000—2019年，全球纳米技术研究进展快速，专利累计申请量曲线和论文累计发表量曲线均呈下凸型，纳米技术处于成长期。预计未来几年纳米技术还将持续快速发展。

1990—2019年全球纳米技术领域论文产出量最多的国家依次是中国、美国、印度、日本、韩国、德国、法国等，其基础研究研发实力较强，见图3。其中，中国论文产出量遥遥领先，在基础研究领域的创新能力最强。

由论文产出国家合作情况（见表1）可以看出，中国与美国的论文合作量最多，合作最为紧密，其次是与日本、德国、伊朗、韩国、法国等；除中国外，美国还与韩国、德国、日本、伊朗等合作较为紧密；印度主要与美国、韩国合作紧密，其次是与中国、日本等；除中国和美国外，日本还与韩国、德国、印度等合作较为紧密；除中国和美国外，德国还与法国、伊朗、俄罗斯合作较为紧密；除德国外，俄罗斯还与美国、法国等合作较为紧密；英国与美国合作相对较多，其次是与中国、德国等。

1990—2019年全球纳米技术领域论文产出量最多的机构（不含政府组织/协会）依次是中国科学院、法国国家科学研究中心、俄罗斯科学院、美国加利福尼亚大学、印度理工学院、清华大学等，其基础研究研发实力较强，见图4。其中，中国科学院论文发表量遥遥领先，是中国纳米技术基础研究领域的中坚力量。

从学科分布可以看出全球纳米基础研究领域的技术方向。1990—2019年全球纳米领域产出的论文主要集中在化学和材料科学研究方向，其次是物理学、工程学、高分子科学等学科方向，如图5所示。

1990—2019年全球纳米技术领域被引频次排名前10的论文见表2，被引频次排名第一的研究论文是关于英国曼彻斯特大学首次制备出石墨烯的主题，美国哥伦比亚大学和美国西北大学发表的研究论文也均与石墨烯相关。日本电气公司、瑞士联邦理工学院、瑞士洛桑联邦理工学院和日本东京大学发表的研究论文是关于光伏电池、太阳能电池相关领域研究的，日本丰田公司则研究了纳米催化剂。可见，高频率被引论文主要集中在石墨烯、电池方向，这两个领域是全球研究的热点，主要研究机构集中在英国、美国、日本和瑞士。

利用VOSviewer软件，对1990—2019年全球纳米技术领域的15371篇高被引论文进行关键词共现分析（取出现频次400以上的关键词，共计32个），见图6。可以看出，全球纳米基础研究领域依次重点关注纳米粒子、石墨烯（氧化）、纳米氧化还原、（碳）纳米管、纳米复合材料、纳米膜、纳米晶体等研究方向。

1990—2019年全球纳米技术主要专利受理国家/组织依次是中国、美国、世界知识产权组织（WIPO）、韩国、日本、欧洲专利局（EPO）等，见图7。其中，中国受理的专利量遥遥领先，是美国的2倍之多，是韩国的4倍之多，纳米技术市场前景广阔。

1990—2019年全球纳米领域专利申请量排名靠前的专利权人依次是韩国三星电子、中国科学院、韩国LG化学、美国3M公司、美国加利福尼亚大学等，其在纳米技术应用研究领域的创新能力较强，见图8。中国科学院的专利申请量较为领先，是中国纳米技术应用研究领域的主要创新力量，略少于三星电子。

1990—2019年对全球纳米技术专利申请数据进行IPC分类号统计，得到排名前10的纳米专利技术领域，见表3。可以看出，全球纳米专利技术主要分布在电极电池、生物医药、半导体器件等应用领域，以及纳米化合物的制备等。

由图8可知，中国科学院、三星电子、3M公司分别是中国、韩国、美国在纳米技术应用研究领域的主要创新力量。基于此，本研究选取中国科学院、三星电子和3M公司三个专利权人作为中美韩代表性创新机构进行重点对比研究。

1990—2019年三星电子的专利申请量共计7105件，中国科学院的专利申请量共计6860件，3M公司的专利申请量共计3683件。三星电子的专利申请量自2001年开始大幅增加，于2007年达到峰值（599件），之后整体呈现下降趋势。3M公司的专利申请量自2005年开始快速增加，于2011年达到峰值，之后整体呈波浪式下降趋势（见图9）。近年来二者在纳米技术应用研究领域发展后劲不足，这可能表明到了关键技术亟待突破的瓶颈期。而中国科学院的专利申请量自2007年开始大幅增加，并于2013年开始超过了三星电子和3M公司，近年来在纳米技术应用研究领域发展势头强劲。

三星电子在韩国本土的专利申请量占比为39.5%，国外专利布局范围较广，主要分布在美国，其次是日本、中国等，具有较强的专利保护意识和竞争优势，见表4。3M公司在美国本土的专利申请量占比仅为19.0%，其在中国、WIPO、EPO、日本、韩国等均有广泛的专利布局，具有很强的专利保护意识和竞争优势。而中国科学院在中国本土的专利申请量占比高达93.4%，在WIPO、美国等有少量专利布局，海外专利布局有待加强。

专利强度采纳了诸多价值参数，强度越大代表相应的专利价值越高。由专利强度分布图（见图10）可以计算得到，三星电子专利强度为50以上的高价值专利为1695件，占比约23.9%；中国科学院专利强度为50以上的高价值专利为294件，占比约4.3%；3M公司专利强度为50以上的高价值专利为812件，占比约 22.1%。三星电子拥有的高价值专利最多且占比较大，专利质量较高。虽然中国科学院的专利申请量排名靠前，但其高价值专利占比大幅低于3M公司和三星电子，专利质量有待提高。

由表5可知，3M公司的主要专利发明人拥有的专利最多，创新实力最强，其中Brant U Kolb和Naiyong Jing的个人专利超过了200件。其次是三星电子，主要发明人有Eun Joo Jang、Byoung Lyong Choi、Hyeon Jin Shin等。中国科学院的主要专利发明人为中科院大连化学物理研究所的张华民、包信和和李先锋，以及中科院深圳先进技术研究院的唐永炳、孙蓉等。

三星电子的专利技术主要集中在半导体器件（H01L）领域，其次是纳米结构制备（B82B）、光学器件或装置（G02F）、电数字数据处理（G06F）、电池组（H01M）等方向；中国科学院的专利技术主要集中在催化作用及胶体化学等物理化学方法（B01J）、电池组（H01M）、半导体（H01L）领域、材料测试分析（G01N），其次是医用配制品（A61K）等方向；3M公司的专利技术主要集中在光学元件及系统/仪器（G02B）、层状产品（B32B）领域，其次是涂料组合物（C09D）、医用配制品（A61K）、黏合剂（C09J）等方向，见表6。

2000年之后，全球以中、美、韩、日等为代表的主要国家在纳米技术基础研究领域迅猛发展，在应用研究领域快速突破。全球纳米技术目前正处于快速成长期，未来几年还将蓬勃发展，有望在电池、生物医药、半导体等应用领域率先取得突破和实现大规模产业化发展。各国应抓住发展机遇，积极抢占技术制高点，加大在纳米技术应用研究领域的投入力度，加快推进纳米技术的产业化步伐。我国在纳米技术领域的专利和论文产出量均居世界首位，近年来在纳米科技领域取得了重要进展，且发展势头猛进，应加强海外专利布局，增强技术竞争优势，补齐短板，推动纳米产业高质量发展。

作者：熊书玲，傅俊英，曾文，王大伟，侯禹

（中国科学技术信息研究所，北京 100038）

来源：《全球科技经济瞭望》

2022年8月第37卷 第8期