陸穎 史繼強 劉宇 陶誠 張志強 陳云偉

稀土元素是元素周期表中15 種鑭系元素和鈧（Sc）、釔（Y）兩種元素的總稱。稀土材料（也稱為稀土新材料）是將稀土元素融合進其他材料中，提升其原有性能或者使其具有某種新功能的一類新型材料的統(tǒng)稱，是當今很多高精尖產(chǎn)業(yè)必不可少的材料，素有“工業(yè)維生素”美稱，是極其重要的戰(zhàn)略資源，在高科技電子產(chǎn)品、航天航空、國防軍工等國家戰(zhàn)略領域都有極高價值，是國家科技競爭的重要戰(zhàn)略領域。

近些年來，稀土材料已成為世界各大經(jīng)濟體爭奪的科技高地。2007年，日本文部科學省、經(jīng)產(chǎn)省提出“元素戰(zhàn)略計劃”“稀有金屬替代材料計劃”等，在稀土資源儲備、技術進步、資源獲取、替代材料尋求等方面持續(xù)采取措施；2008年，稀土材料被美國能源部列為“關鍵材料戰(zhàn)略”；2010年，歐盟宣布實施稀土戰(zhàn)略儲備計劃；2016年，我國工信部發(fā)布《稀土行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，提出以創(chuàng)新驅動為導向，加強稀土戰(zhàn)略資源保護，提升智能制造水平，擴大稀土高端應用，提高行業(yè)發(fā)展質量和效益，充分發(fā)揮稀土戰(zhàn)略價值和支撐作用。我國稀土資源較為豐富，總體儲量占全球比重一半以上，某些種類在全球同類稀土總量中所占的比重甚至高達80%。但是，我國稀土材料生產(chǎn)、利用、回收等方面仍處于粗放發(fā)展階段，稀土材料研究仍然存在著不足與不平衡，集聚效應不明顯，研究的影響力與前瞻性還不足。因此，迫切需要了解稀土材料研究領域我國領先團隊與國際重要團隊的發(fā)展現(xiàn)狀，以便更好地為我國稀土材料學科布局、團隊建設等提供決策依據(jù)。

目前已有研究者嘗試利用文獻計量學來揭示國家、學科團隊之間的競爭力，如張曉琴等通過對期刊影響力和論文研究方向分布的分析，梳理我國漁業(yè)科技競爭力；戚佳妮等以發(fā)文量、被引頻次為基礎，研究我國主要省域的植物保護學科競爭力情況以及學科布局。部分研究者也利用王冠指數(shù)、f 指數(shù)等相關指數(shù)進行對比研究，如杜文龍等利用g 指數(shù)對我國6 所應用型航空類院校的基金申請、論文被引頻次進行對比分析。同時，科研人員也將ESI 數(shù)據(jù)引入學科領域競爭力分析中，如徐揚等以計量學理論為基礎研究了進入ESI 前1%的電力科學工程學科論文數(shù)量、論文被引次數(shù)、高被引論文數(shù)、高被引論文占有率及熱點論文情況，以分析國內6 所電力工程學科大學競爭力。然而，當前研究者對學科領域團隊的計量學競爭力研究仍然孤立地研究機構的論文數(shù)量、被引頻次等，未融合學科領域政策環(huán)境、科研前沿等維度，決策建議的全面性仍不足。

基于此，本文選擇4 個稀土材料高水平科研單元進行比較研究，將文獻計量學與政策分析、學科布局結合，多角度提出我國稀土材料研究領域的問題與建議。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文選擇Web of Science 數(shù)據(jù)庫中的SCIE 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源。檢索時間限定為2000—2016年。數(shù)據(jù)采集時間為2017年7月，共計檢索到數(shù)據(jù)31912 條。采取人工輔助計算機的方式進行數(shù)據(jù)清洗后，得到有效數(shù)據(jù)22971 條。在此基礎上，檢索科研單元中全部科學家的論文，匯總成為各科研單元論文集合。

檢索策略：TS=（（（Rare*）or（ Rare Earth ） or （ rare* earth material*）or（Rare* Earth Element*））AND（La or Ce or Pr or Nd or Pm or Sm or Eu or Gd or Tb or Dy or Ho or Er or Tm or Yb or Lu））AND PY=（2000—2016）。

比較分析對象遴選方案：從發(fā)文量居前10 位的機構中，選擇組織模式相近，且研究成果突出的國際頂尖科研單元開展比較分析。所謂科研單元，是由幾個或多個課題組構成的研究單元，通常是指在科研院所、高?；蜓邪l(fā)型企業(yè)等內部建立的研究中心、重點實驗室、系室等。本文選定的分析對象包括在中國處于領先地位的中國科學院長春應用化學研究所稀土資源利用國家重點實驗室（以下簡稱“長春應用化學研究所”）以及稀土材料軍事 應用方面較強的美國愛荷華州立大學埃姆斯實驗室（以下簡稱“埃姆斯實驗室”）、化學合成領域研究較深入的俄羅斯莫斯科國立羅蒙諾索夫大學化學系（以下簡稱“莫斯科大學化學系”）、德國明斯特大學無機化學與分析化學研究所（以下簡稱“明斯特大學化學所”）。

數(shù)據(jù)清洗和統(tǒng)計分析工具：DDA（Derwent Data Analyzer）軟件。

2 稀土材料整體研發(fā)趨勢

世界主要的科技發(fā)達國家和發(fā)展中大國均重視爭奪稀土材料技術研發(fā)的制高點，聚焦稀土材料科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，稀土材料科技創(chuàng)新成為各國重點支持領域。自2008年來，美國、歐盟、日本陸續(xù)發(fā)布關鍵原材料戰(zhàn)略評估報告，遴選本國或本地區(qū)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的關鍵原材料，稀土材料成為各國共同關注的關鍵原材料。

2006年，日本政府發(fā)布《國家能源資源戰(zhàn)略新規(guī)劃》，將稀有金屬儲備種類擴展至10 種，2010年發(fā)布的科學技術白皮書提到，要開發(fā)稀土高效回收系統(tǒng)、稀土替代材料，并通過設立環(huán)境廢物管理研究基金，優(yōu)先資助稀土回收提煉研究。2012年日本經(jīng)產(chǎn)省進一步推動“脫稀土”事業(yè)的發(fā)展，為稀土材料項目提供50 億日元補貼計劃，重點鼓勵和支持降低鏑、釹磁材料的使用及提高稀土回收利用等各類技術開發(fā)項目的實施。

2010年，美國能源部制定部署稀土供應的戰(zhàn)略計劃，分為3 個層面：一是多樣化稀土的供應鏈；二是致力于替代產(chǎn)品的開發(fā)，鼓勵美國的稀土消費企業(yè)研發(fā)使用戰(zhàn)略性較低的資源；三是提高稀土資源的利用效率以及回收再利用水平以減少對進口的過度依賴。

2010年，歐盟宣布實施稀土戰(zhàn)略儲備計劃。根據(jù)歐盟委員會2008年11月出臺的“原材料整合戰(zhàn)略”，歐盟將在全球市場上尋求建立更好、更不容易遭受破壞的原材料獲取渠道，加大歐洲內部原材料勘探、開采力度，同時提高原材料利用效率、縮短循環(huán)利用周期，以減少以稀土材料為代表的原材料需求量。2013年，歐盟委員會聯(lián)合研究中心發(fā)布《歐盟能源行業(yè)低碳經(jīng)濟中的關鍵金屬》報告，對低碳能源技術制造中的原材料供應問題開展調查，發(fā)現(xiàn)有8 種稀有金屬處于短缺高風險狀態(tài)。2014年，歐盟宣布成立原材料創(chuàng)新與技術研究院（原材料-EIT），旨在整合全歐洲稀土材料等領域的研發(fā)創(chuàng)新資源，提高創(chuàng)新能力，促進經(jīng)濟增長和提高全球競爭力。

我國在2016年發(fā)布了《稀土行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，基于我國稀土行業(yè)現(xiàn)狀、所面臨形勢和對未來發(fā)展趨勢的判斷，明確了將構建合理開發(fā)、有序生產(chǎn)、高效利用、科技創(chuàng)新、協(xié)同發(fā)展的稀土行業(yè)新格局，重點發(fā)展稀土高端功能材料及器件，著力拓展稀土功能材料的中高端應用，加快稀土產(chǎn)業(yè)轉型升級，提高行業(yè)發(fā)展質量和效益，發(fā)揮好稀土材料在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)及國防科技工業(yè)中的戰(zhàn)略價值和支撐作用。

2.1 全球SCI 論文產(chǎn)出增長呈平穩(wěn)發(fā)展態(tài)勢

2000年以來，全球每年稀土材料領域論文呈平穩(wěn)發(fā)展趨勢，年均增長率5%左右，2008年后年發(fā)文量基本穩(wěn)定在1400～1600 篇之間。造成這一結果的部分原因是，2008年全球金融危機爆發(fā)后，隨著全球經(jīng)濟環(huán)境趨弱，稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到影響，稀土產(chǎn)業(yè)與資源交易處于下降趨勢，以美國科學基金會（NFS）等為代表的基金資助出現(xiàn)了增長緩慢趨勢，項目資助數(shù)量和資金額都處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2 稀土領域各國SCI 論文產(chǎn)出比較分析

2000—2006年，稀土材料領域的SCI 論文主要來自中國、美國、德國、日本、法國等國家，其中我國的數(shù)量優(yōu)勢明顯（4769 篇，占比28%），位居全球第1 位，是美國（位居第2）發(fā)文量的近2 倍。

對中美兩國論文的研究主題詞進行分析可以發(fā)現(xiàn)，晶體結構、冷發(fā)光、磁特性、光學特性、光激發(fā)光等是兩國共同關注的高頻主題詞；不同之處在于，美國對于中子衍射、電子結構、光譜學、超導等主題的研究投入了更多的關注，而中國對于納米粒子、顯微結構、熒光性、機械性能等主題的關注度更高。由此可見，兩國研究既有相互交叉的領域，又有各自的關注重點。

2.3 稀土領域SCI 論文機構產(chǎn)出比較分析

在2000—2016年稀土材料領域SCI 發(fā)文最多的前15 個機構中，中國科學院、法國國家科學研究中心、俄羅斯科學院、美國能源部排名前4，其中中國科學院雖然是唯一一家中國機構，卻以2018 篇的總發(fā)文量處于顯著的領先地位。而在SCI 發(fā)文數(shù)量最多的25 個研究單元中，來自中國的研究單元占據(jù)11 席，其中長春應用化學研究所以334 篇論文位居全球第2。

3 我國科研單元與國際領先科研單元比較分析

本節(jié)選取2000—2016年SCI 發(fā)文量最多的4 個科研單元，長春應用化學研究所與埃姆斯實驗室、莫斯科大學化學系、明斯特大學化學所，主要從高被引論文、論文影響力，科研合作關系、研究方向等方面揭示各單元的競爭優(yōu)勢。

3.1 各科研單元科研影響力分析

4 個科研單元2000年以來SCI論文被引頻次的分布數(shù)據(jù)顯示，在各被引頻次區(qū)間，長春應用化學研究所都具有比較明顯的優(yōu)勢，在絕大部分區(qū)間甚至超過其他3 個科研單元的3 倍以上論文。這說明長春應用化學研究所在稀土材料研究領域的論文質量在世界范圍內處于較高水平，具有較高學術影響力，在行業(yè)內的優(yōu)勢比較突出，優(yōu)于其他3個科研單元。

王冠指數(shù)（式1）是由萊頓大學科學技術研究中心（CWTS）提出，用于測算機構在某一學科領域內相對于世界平均科研水平的相對影響力指標，是定量判定研究機構全球影響力的主要指標。

通過對4 個科研單元王冠指數(shù)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，中國科學院長春應用化學研究所王冠指數(shù)最高（1.77），和莫斯科大學化學系（1.33）、埃姆斯實驗室（1.11）、明斯特大學化學所（0.92）相比，具有較大優(yōu)勢。這說明其論文的整體實力高于世界平均水平，也高于其他3 個對比科研單元。

3.2 各科研單元合作網(wǎng)絡分析

分析4 個科研單元的合作網(wǎng)絡可知，在2000—2016年間，莫斯科大學化學系的對外合作最多（240家合作機構），其后依次是埃姆斯實驗室（118）、長春應用化學研究所（105）和明斯特大學化學所（91）。其中莫斯科大學化學系的國外合作最多，主要來自法國、印度、波蘭等國。其他3 家科研單元的國外合作論文數(shù)量相對少一些，長春應用化學研究所主要合作對象是吉林大學、長春大學、浙江大學以及中國科學院其他研究所等國內機構；明斯特大學化學所、埃姆斯實驗室對外合作也較少，特別是埃姆斯實驗室，這可能是因為該實驗室是由美國能源部（DOE）下屬（委托愛荷華州立大學管理）的國家科學實驗室，具有較強的保密性質。

3.3 各科研單元基金來源分布趨同

一方面，4 個科研單元的基金資助都主要來自于其本國，由于稀土研究本身的封閉性和涉密性導致了對外合作的受限，甚至盟國之間的相互資助也較少。

另一方面，4 個科研單元受基金資助的文章數(shù)量差異較大，長春應用化學研究所的最多（309），其次是莫斯科大學化學系（142）、明斯特大學化學所（133），埃姆斯實驗室（38）最少，主要原因可能是由于埃姆斯實驗室的資助主要來自政府或軍方，相關研究成果受到保密限制。但資助10 篇以上的資助機構數(shù)量相差不大，莫斯科大學化學系資助機構4 個，長春應用化學所和明斯特大學化學所的資助機構3 個，埃姆斯實驗室2 個。

3.4 各科研單元研究重點各不 相同

對4 個科研單元的關鍵詞、主題詞等進行梳理，通過技術分類與篩選，發(fā)現(xiàn)4 個科研單元各自有不同的側重點。需要注意的是，和其他3 個科研單元相比，長春應用化學研究所在磁性研究方面的論文產(chǎn)出相對較少。

4 稀土材料近期的亮點工作與進展

4.1 稀土材料在通信領域的研究逐漸深入

2015年，澳大利亞國立大學的研究人員利用稀土元素銪在量子存儲研究方面取得重大突破，實現(xiàn)了長達6 個小時的量子存儲時間，比以往水平延長了100 倍，預示著固態(tài)量子硬盤和全球范圍的量子通信可能成為現(xiàn)實。相關成果發(fā)表于《Nature》雜志上。

2016年，索爾福德大學和薩里大學的研究人員將稀土注入硅來制作高性能的LED 光探測器，用于產(chǎn)生和檢測使用硅通訊波長的光。該研究中，光可以通過電子在硅和稀土之間的“跳躍”直接產(chǎn)生，極大地簡化了數(shù)據(jù)傳輸方式。

2017年，中國科學院寧波材料研究所通過引入低熔點Nd-Fe 合金粉末，制備出高性能高豐度稀土基永磁體，將極大促進稀土材料在電子通信、交通運輸、軍事裝備等領域的應用。

2018年，中國科學技術大學郭光燦院士在量子存儲領域取得新進展，研制出多自由度并行復用的固態(tài)量子存儲器，在國際上首次實現(xiàn)跨越3 個自由度的復用量子存儲，并展示了時間和頻率自由度的任意光子脈沖操作功能。

4.2 稀土材料促進生物醫(yī)學領域獲得長足進步

2015年，中國科學院上海光學精密機械研究所圍繞現(xiàn)場快速檢測系統(tǒng)核心技術，在國際上首次創(chuàng)建了基于稀土納米上轉發(fā)光的免疫層析技術平臺，實現(xiàn)了納米材料、生物檢測、生物傳感3 個關鍵領域的融合，并憑此獲得了2015年度國家技術發(fā)明獎二等獎。同年，中國科學院福建物質結構研究所開發(fā)出一種具有中空核殼結構的多功能稀土納米熒光生物探針，能特異性識別癌細胞，有望成為一種集多模成像和腫瘤靶向治療于一體的新型多功能納米診療材料。

2016年，新加坡南洋理工大學、新加坡科技研究局以及廈門大學的研究人員聯(lián)合創(chuàng)建了一種光聲/熒光多模態(tài)導向的診療策略以響應復雜的腫瘤組織微環(huán)境，并成功地將功能化稀土上轉換納米粒子特異性地富集在活體動物的腫瘤部位以達到精準的靶向診療。該研究成果發(fā)表在《Nature Communications》雜志 上。同年，中科院福建物質結構研究所的科研人員采取將三價銪離子Eu3＋分別摻雜到內外殼層的設計策略，發(fā)展了一種基于Eu3＋雙模（上轉換/下轉移）發(fā)光的核—殼—殼結構納米熒光探針，并成功地將其應用于AFP 的上轉換和溶解增強下轉移發(fā)光雙模體外檢測，對原發(fā)性肝癌的診療具有重要意義。該研究成果發(fā)表在英國皇家化學會《Chemical Science》雜志上。

2017年，東京大學的科研人員研發(fā)了一種基于OTN 近紅外稀土摻雜的新型納米熒光粉材料，該材料與溫度具有良好線性相關性，因而有望應用于深層組織的測溫。該研究成果發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry》雜志上。同年，新加坡科技與設計大學、新加坡國立大學、臺灣國立衛(wèi)生研究所、常州大學的科研人員聯(lián)合研發(fā)了一種利用二氧化硅包覆的稀土摻雜納米粒子來強化近紅外光聲成像的技術。此技術可以提高深層組織成像的分辨率與信噪比。同年，湖北大學、華中科技大學、中國科學院深圳先進研究院的科研人員共同發(fā)現(xiàn)了CuS稀土聚合物在核磁共振成像引導的化學-光熱療法中的重要作用，展現(xiàn)了稀土材料在綜合醫(yī)療手段中的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2018年，中國科學院信息功能材料國家重點實驗室與德國于利希研究中心合作，將極低場磁共振成像（ULF-MRI）圖像中±500Hz 帶寬內的工頻噪聲干擾抑制85%以上，解決了無屏蔽或簡易屏蔽ULF-MRI 成像的固有工頻噪聲干擾問題，向實現(xiàn)低成本可移動式MRI 系統(tǒng)邁出了堅實的一步。

5 啟示與建議

5.1 保持優(yōu)勢領域研究動力，不斷優(yōu)化研究布局

通過分析稀土材料領域4 個科研單元的高水平論文與被引頻次發(fā)現(xiàn)，中國科學院長春應用化學研究所在稀土研究領域具有比較強的學科優(yōu)勢，尤其是在能源材料、合金材料等方面，但與國際對標科研單元相比，中國科學院長春應用化學研究所在磁性能研究方面比較弱，而德國明斯特大學、埃姆斯實驗室等在該領域有較多的研究成果。這一方面說明磁性能研究方向是稀土材料研究的重要方向。

建議我國稀土材料研究機構在保持自身研究領域優(yōu)勢的同時，進一步優(yōu)化學科布局，通過補短板，優(yōu)化學科方向來進一步夯實優(yōu)勢，形成更為合理的研究布局，促進國家在相關領域的發(fā)展。

5.2 面向國家戰(zhàn)略需求，加強稀土材料領域基礎研究工作

我國稀土材料研究論文產(chǎn)出位居世界前列，但基礎研究影響力不足，原創(chuàng)成果少，在《Nature》《Science》等國際一流期刊上發(fā)表論文的數(shù)量與西方國家相比存在較大差距，2000年以來只有2 篇，而美國達到14 篇。

建議加強稀土高頻、磁傳感、激光晶體、閃爍晶體等新一代稀土復合材料基礎研究，以促進電子、航空、國防等戰(zhàn)略領域發(fā)展。同時，集中稀土材料科研資源（資金、人才、政策等），建立新型稀土材料研究中心（比如中國科學院卓越中心），聯(lián)合國內優(yōu)勢單位，加強合作，設置大計劃、大項目來進行支持，創(chuàng)新協(xié)同機制建設。

5.3 在保證國家安全的前提下，有針對性地開展國際合作交流

我國稀土材料領域學術研究的國際合作相對較弱，國內合作研究也較少，且大多集中在本地相關科研機構之間，比如中國科學院長春應用化學研究所。這樣使得本來就比較封閉的合作網(wǎng)絡更加封閉，不利于國內稀土材料領域的研究合作。

建議梳理各單位的稀土材料研究優(yōu)勢，整合資源，促進研究機構強強聯(lián)合和協(xié)同創(chuàng)新、交叉研究，共同攻關重大科學問題與技術問題，彌補我國在稀土研究領域的短板。

5.4 加強稀土材料研究成果轉化與技術應用

我國在稀土材料研究領域已擁有較多成果，多年來論文產(chǎn)出一直處于世界前列，但是也應該看到，我國稀土材料研究成果主要集中在國立科研機構中，科技成果轉化效率較低，在稀土產(chǎn)業(yè)發(fā)展與轉型方面仍然存在不足，主要有應用技術較少、成果轉化數(shù)量不多、民用技術推廣不足等。

建議進一步完善稀土材料研究成果轉移轉化機制，結合稀土材料研究與應用，特別是國防軍事應用的特點，組建軍民融合的科技成果轉移轉化平臺。

5.5 加大培養(yǎng)稀土材料研究領域世界級研究團隊

當前我國還缺乏稀土材料領域世界級的重大原創(chuàng)性研究成果和頂尖科學家研究團隊。在稀土領域SCI論文中，2000—2016年發(fā)文量前10的作者中，中國只有1 名（同濟大學閆冰教授，83 篇），發(fā)文最多的是明斯特大學化學所的Poettgen（147篇），其次是波蘭雅蓋隆大學的Szytula（127 篇）和Penc（83 篇）。就SCI 論文發(fā)表而言，我國具有代表性的科研人員仍然較少。

建議加大力度培養(yǎng)稀土材料研究領域世界級人才與團隊，特別是在稀土材料研究國際合作不多的情況下，要加強本土人才及團隊的培養(yǎng)，設立專門的人才項目、資助措施、管理機制等，選準隊伍、穩(wěn)定支持、減少考核，促進我國稀土材料領域世界一流人才和團隊的培養(yǎng)。

5.6 加強力量攻關核心技術，培養(yǎng)戰(zhàn)略優(yōu)勢

我國最為突出的優(yōu)勢是稀土儲量大，且稀土品種齊全、分布合理。但是由于技術掌握不足、資源利用效率低下，使其價值沒有得到應有的體現(xiàn)，優(yōu)勢沒有完全展現(xiàn)。

建議集中力量攻關稀土生產(chǎn)技術，加強對稀土資源的綜合利用、再生回收等技術的研究，提高稀土資源利用效率，降低能源和原材料消耗，加大高精尖技術研發(fā)，以支撐芯片、航天等戰(zhàn)略領域技術發(fā)展，形成“大國重器”。總而言之，有必要將稀土材料先進技術培育成為我國未來的一個“長板”領域，成為國家的核心關鍵技術?！?/p>

致謝：本文寫作過程中得到了中國科學院長春應用化學研究所王鑫巖研究員的指導、審閱和修改，特致謝忱。

（摘自《世界科技研究與發(fā)展》2019年第1期）