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光明图片/视觉中国

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  哪些科研课题最“热”？日前，中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心与科睿唯安联合发布《2021研究前沿》，或许可以回答这个问题。

  研究人员持续跟踪2015-2020年间发表在被SCI收录的学术期刊上、被引频次居于前1%的科研论文，根据它们的同被引关系对进行聚类并归入几大聚合的学科中，每个学科领域选出10个热点前沿课题和若干新兴前沿课题。

农业科学、植物学和动物学领域Top10热点前沿

  1植物提取物作为抗氧化剂在肉制品中的应用

  2茶树基因组研究与品质性状形成的分子机理

  3植物泛基因组研究

  4多功能食品智能包装膜的研制

  5非洲猪瘟的流行病学和病毒学研究及防控

  6间歇性禁食对健康、衰老和疾病进程的影响

  7早期陆地植物进化研究

  8动植物碱基编辑器研究

  9褪黑素处理对果实储藏品质的影响及作用机理

  10植物免疫受体NLR及其介导的抗病机制

  农业科学、植物学和动物学领域居于前十的热点前沿主要分布在食品科学与工程、植物基因组与编辑、动物传染病、健康饮食、植物进化、植物抗病研究等6个子领域。其中，食品科学与工程子领域有3个热点前沿，分别在研究肉制品加工中植物抗氧化剂的应用、多功能食品智能包装膜、褪黑素在果实储藏中的应用。植物基因组与编辑子领域也有3个热点前沿，分别在研究茶树基因组、植物泛基因组及动植物碱基编辑器。动物传染病、健康饮食、植物进化、植物抗病子领域各有1个热点前沿。与往年相比，2021年入选的Top10热点前沿再次凸显近年食品科学与工程子领域较受关注。此外，动物传染病研究也在近两年持续出现。2021年还首次出现了有关饮食方式的研究，即间歇性禁食对健康、衰老和疾病进程的影响。

生态与环境科学领域Top10热点前沿

  1空气、水体、物体表面等环境中新型冠状病毒的检测与传播

  2新冠肺炎疫情期间的封锁隔离措施对空气质量的影响

  3昆虫衰退现状、灭绝危机与驱动因素

  4燃煤及工业烟气中汞污染的消除

  5微塑料在土壤中的暴露及对土壤生态系统的影响

  6全氟和多氟烷基化合物的分布、暴露、毒理和污染控制技术

  7低成本大气颗粒物传感器性能评估

  8气溶胶与大气边界层相互作用及其对空气质量的影响

  9全球空气污染造成的死亡率和疾病负担估计

  10物种界定方法的改进

  生态与环境科学领域的Top10热点前沿主要分布在生态科学和环境科学两个子领域，全球性的生态环境问题及新冠肺炎疫情相关的生态环境问题是主要关注点。

  具体来看，环境科学子领域的热点前沿主要涉及新冠肺炎疫情相关环境研究，空气污染相关研究，及全氟化合物、汞、微塑料等全球性传统和新污染物的环境特征、风险与控制研究。2020年新冠肺炎疫情在全球肆虐，该领域的两个热点前沿展现了新冠肺炎疫情与环境的相互影响，包括“空气、水体、物体表面等环境中新型冠状病毒的检测与传播”和“新冠肺炎疫情期间的封锁隔离措施对空气质量的影响”。空气污染是2021年热点前沿的焦点，相关前沿包括3个，分别是“低成本大气颗粒物传感器性能评估”“气溶胶与大气边界层相互作用及其对空气质量的影响”和“全球空气污染造成的死亡率和疾病负担估计”。其中，“气溶胶与大气边界层相互作用及其对空气质量的影响”相关研究曾入选2020年的热点研究前沿。此外，“新冠肺炎疫情期间的封锁隔离措施对空气质量的影响”也同时是空气污染相关的前沿。全球性污染物相关前沿包括“燃煤及工业烟气中汞污染的消除”“微塑料在土壤中的暴露及对土壤生态系统的影响”和“全氟和多氟烷基化合物的分布、暴露、毒理和污染控制技术”，它们所涉及污染物均是在全球范围内带来重大、长期生态环境风险，受到全球关注的典型污染物，多年入选环境领域的热点前沿。生态科学子领域的热点前沿主要涉及生物多样性和物种分类两个方面，具体包括“昆虫衰退现状、灭绝危机与驱动因素”和“物种界定方法的改进”。

生物科学领域Top10热点前沿

  1新冠肺炎病原的鉴定、病毒全基因组序列分析和ACE2受体识别

  2新型冠状病毒刺突糖蛋白的结构、功能和抗原性

  3肿瘤相关成纤维细胞对肿瘤免疫应答的影响

  4卡介苗诱导的训练免疫

  5成年人类大脑海马神经元再生研究

  6脂蛋白(a)与心血管疾病风险以及RNA疗法治疗高脂血症

  7全基因组关联研究确定抑郁症相关基因座

  8瑞德西韦抑制冠状病毒的机制研究

  9大脑星形胶质细胞异质性和功能多样性

  10基于图像的深度学习自动诊断疾病研究

  生物科学领域位居前十位的热点前沿主要集中于新型冠状病毒的致病机理研究、瑞德西韦抑制冠状病毒的机制研究、卡介苗诱导的训练免疫、肿瘤相关成纤维细胞对肿瘤免疫应答的影响、大脑海马神经元再生和星状胶质细胞功能多样性、脂蛋白(a)与心血管疾病风险、抑郁症相关基因座研究以及基于图像的深度学习自动识别和诊断疾病等主题。

  新型冠状病毒致病机理相关研究迅速成为生物科学领域的热点，通过对病原、关键靶点及受体的确定，为后续疫情防控和药物及疫苗研究等奠定了工作基础。

  脑科学研究、肿瘤发生和治疗研究、抑郁症发病机制和药物作用机制研究等是历年生物科学领域研究前沿的核心议题。脑科学方面包括两个热点前沿“成年人类大脑海马神经元再生研究”和“大脑星形胶质细胞异质性和功能多样性”，其中“大脑星形胶质细胞异质性和功能多样性”是2020年热点前沿“星形胶质细胞与神经退行性疾病以及大脑衰老的关系”的发展和延续。此外，“肿瘤相关成纤维细胞在肿瘤免疫治疗中作用”则与2020年的热点前沿“基于MicroRNA的肿瘤治疗”相关。“全基因组关联研究确定抑郁症相关的基因座”与2020年的“氯胺酮抗抑郁作用机制的研究”热点前沿一样都关注抑郁症主题。

地球科学领域Top10热点前沿

  1基于多种地球系统模型的气候敏感性评估

  2基于数字高程模型的高亚洲冰川质量变化研究

  3华北克拉通金矿床时空演化与构造环境研究

  4基于多个卫星数据的全球火灾排放评估

  5南极洲和格陵兰岛冰量损失对海平面变化的影响

  6基于日光诱导叶绿素荧光卫星数据的植被总初级生产量评估

  7太古代大陆地壳演化与板块构造研究

  8煤中稀土元素地球化学研究

  9全球降水数据集的研制与评估

  10卫星土壤湿度数据产品评估与验证

  地球科学领域Top10热点前沿4个属于地理学相关研究，3个属于地质学，3个属于大气科学研究。从研究主题上看，地球科学领域Top10热点前沿更加聚焦全球气候变化。其中，利用地球系统模型开展的气候敏感性评估和全球气候变化研究等主题自2015年起已4次入选《研究前沿》报告，展现出地学界对人类活动与气候变化研究的持续关注。从研究方法上看，利用天基探测平台开展地球科学研究的特点更加突出，再次印证了遥感和信息技术进步对地球科学发展的巨大推动作用，例如：基于数字高程模型的高亚洲冰川质量变化研究，基于多个卫星数据的全球火灾排放评估，基于日光诱导叶绿素荧光卫星数据的植被总初级生产量评估，全球降水数据集的研制与评估，卫星土壤湿度数据产品评估与验证等。

天文学与天体物理学领域Top10热点前沿

  1快速射电暴的观测和理论研究

  2原初黑洞观测及其与暗物质的关系

  3基于GW170817事件观测约束中子星性质

  4双黑洞系统及并合机制

  5“盖亚”（Gaia）测绘最精确银河系三维地图

  6对双中子星并合引力波事件GW170817的多信使观测

  7标量—张量引力修正理论及引力波事件的影响

  8基于“开普勒”（Kepler）观测数据搜寻系外行星

  9原行星盘观测揭示行星系统形成机制

  10宇宙再电离时期恒星形成的观测研究

  天文学与天体物理学领域居于前十位的热点前沿涉及引力波、快速射电暴、黑洞与暗物质关系、中子星性质、银河系地图、系外行星搜寻、恒星及行星系统形成等研究主题。总体来看，引力波的观测发现及其引发的相关研究在天文学与天体物理学领域产生了深远影响，众多热点前沿与此相关，如黑洞和中子星等致密天体性质研究、引力理论研究等。此外，近年来备受关注且神秘的快速射电暴事件的观测和理论研究再次上榜。大型科学任务平台继续发挥极高的影响力，“盖亚”（Gaia）、“开普勒”（Kepler）等任务的阶段性和集中产出榜上有名。黑洞、暗物质、恒星及行星系统形成等“一黑两暗三起源”相关的研究主题依旧表现突出。

化学与材料科学领域Top10热点前沿

  1电磁波吸收材料

  2二氧化硫插入策略合成磺酰类功能分子

  3非共价相互作用（卤键、硫键等）

  4无铅储能陶瓷

  5氮杂环卡宾催化

  6基于水凝胶的应变传感器

  7钙钛矿铁电材料

  8化学动力学疗法

  9光电化学生物传感器

  10不对称合成轴手性化合物

  2021年化学与材料科学领域Top10热点前沿主要分布在有机合成、先进材料、生物化学等方面。与2013-2020年相比，2021年Top10热点前沿中超过半数的前沿属于首次入选，即使曾经出现过的研究主题在今年其研究方向也发生了迁移。在有机合成方面，氮杂环卡宾催化去年曾入选Top10热点前沿，2021年突出了光和氮杂环卡宾的协同催化；二氧化硫插入策略合成磺酰类功能分子、非共价相互作用（卤键、硫键等）及不对称合成轴手性化合物三个研究方向均是首次出现。先进材料方面，钙钛矿材料的研究一直是近年来的热点，2013-2020年主要研究其作为电池材料和光学晶体材料在太阳能电池和光电探测器领域的应用，2021年重点关注了其铁电性质；基于水凝胶的应变传感器曾是2020年的热点前沿，2021年在其抗干燥、热稳定性及机械稳定性等性能提升方面做了较多研究；电磁波吸收材料曾是2016年的新兴前沿，重点关注了具有壳核结构的电磁波材料，2021年重点关注了具有棒状、花状及层状结构复合物对电磁波的吸收性能；无铅储能陶瓷曾是2020年的热点前沿，重点研究了无铅钙钛矿铁电储能陶瓷材料，2021年重点关注了无铅弛豫铁电储能陶瓷材料。生物化学方面，化学动力学疗法和光电化学生物传感器均是首次入选研究前沿。

信息科学领域Top10热点前沿

  1深度学习方法在6G通信技术中的应用研究

  2用于点对点能源交易的区块链技术研究

  3用于通路数据库的数据整合、分析、内存优化以及可视化研究

  4用于植物分类和病害检测的深度神经网络

  5用于心电图分类和心律失常自动诊断的卷积神经网络研究

  6使用传感器和深度学习的人类活动识别系统研究

  7面向视频动作识别的深度神经网络研究

  8基于卷积神经网络等深度学习方法进行多模态情感分析研究

  9利用深度学习方法进行电子健康档案数据挖掘研究

  10基于无人机的无线通信技术

  信息科学领域居于前十位的热点前沿主要集中于面向6G通信、植物分类和病害检测、心电图分类和心律失常自动诊断、人类活动识别、视频动作识别、多模态情感分析、电子健康档案数据挖掘等领域的深度学习方法研究，以及区块链技术、通路数据库、无人机辅助通信技术等方向，与深度学习相关的主题占据了今年Top10热点前沿的大部分主题。“基于无人机的无线通信技术”是2020年热点前沿“无人机无线通信网络、传输保密和轨迹优化研究”的延续和扩展，其他前沿主题均为首次入选。

数学领域Top10热点前沿

  1双相各向异性变分问题

  2光孤子传输特性的解析研究

  3基于深度卷积神经网络的医学图像分析算法

  4分裂公共不动点问题的迭代算法

  5用于优化机器人操作的动态神经网络算法

  6高维非线性偏微分方程的求解方法

  7非线性时间序列的复杂网络分析

  8多层贝叶斯建模方法及其在数学心理学中的应用

  9分数阶反应扩散方程的数值解法

  10有限差分格式的能量稳定性研究

  数学领域居于前十位的热点前沿主要集中于双相各向异性变分问题、光孤子传输特性的解析研究、基于深度卷积神经网络的医学图像分析算法、分裂公共不动点问题的迭代算法、用于优化机器人操作的动态神经网络算法、高维非线性偏微分方程的求解方法、非线性时间序列的复杂网络分析、多层贝叶斯建模、分数阶反应扩散方程的数值解法、有限差分格式的能量稳定性研究等领域。

  与2013-2020年相比，2021年Top10热点前沿既有延续又有发展。偏微分方程性质及求解研究以及非线性系统方向的多个热点前沿连续多年入选该领域的热点前沿或新兴前沿。统计学领域的非线性时间序列的复杂网络分析首次入选。

物理学领域Top10热点前沿

  1转角双层石墨烯的特性研究

  2非厄米系统的拓扑态研究

  3黑洞信息佯谬与纠缠熵研究

  4量子多体疤痕与多体动力学

  5味对称性与轻子质量的研究

  6高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体

  7反铁磁自旋电子学

  8基于Ga2O3的日盲紫外光电探测器

  9二维范德华磁性材料的特性研究

  10高压下富氢化合物的高温超导电性研究

  物理领域居于前十位的热点前沿主要集中于凝聚态物理、高能物理、理论物理和光学。凝聚态物理方面的热点前沿有6个，转角双层石墨烯、非厄米系统的拓扑态、高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体、二维范德瓦尔斯磁性材料依然是今年的研究前沿，反铁磁自旋电子学、高压下富氢化合物的高温超导电性成了新的热点前沿。高能物理方面聚焦在味对称性与轻子质量的研究。理论物理方面，黑洞信息佯谬与纠缠熵研究以及量子多体疤痕与多体动力学备受关注。光学方面，基于Ga2O3的日盲紫外光电探测器成了热点前沿。

  （作者：中科院科技战略咨询研究院《2021研究前沿》报告研制组）