1. 納米發電機
Nanogenerator
納米發電機是一種將微小物理變化引起的機械能／熱能轉換成電能的裝置。
生活的環境中充滿了各種各樣的振動能、化學能、生物能、太陽能和熱能等。但是這些能量多數並未被利用起來，或者利用率較低。而基於納米技術的納米發電機可以利用環境中的機械能等能量，將其轉化為電能。
並且，相對於化學電池，納米發電機具有環保、可持續性供電等特點。因此，它是滿足目前對可持續性自供電電源需求的一個最優解決方案。
納米發電機目前主要有３種類型：壓電式、摩擦電式、熱釋電式。
2006年，美國佐治亞理工學院王中林教授領導的研發團隊，在世界上首次研製成功納米發電機。自此開始有少量相關專利。
2012年起，納米發電機領域專利數量呈現明顯的持續增長態勢，顯示出納米發電機技術正處於成長期。中國、韓國和美國是納米發電機專利數量排名前3的國家。
在可拉伸和可穿戴電子器件飛速發展的當今時代，研究柔性機械能收集器件具有十分重要的價值和意義。
近年以柔性材料代替聚合物商業薄膜和金屬片組裝柔性摩擦納米發電機的研究成為亮點。
近期柔性摩擦納米發電機研究成果不少，例如，普渡大學研發出基於殼聚糖的柔性可降解摩擦納米發電機，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士研究團隊研究了基於仿生水母的摩擦納米發電機、用於自供電醫療產品的多級納米結構纖維素纖維基摩擦納米發電機等。
在該研究方向，涉及的高被引論文成果來自佐治亞理工學院材料科學與工程學院和中國科學院北京納米能源與納米系統研究所；專利數量位於前列的研究單位除以上兩個科研機構外，還有國家納米科學中心、納米新能源（唐山）有限責任公司、韓國高等科學技術學院和三星電子有限公司等。
2. 非富勒烯聚合物太陽能電池
Fullerene-free polymer solar cells
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。
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。
3. 光催化材料的太陽能轉化應用
Application of photo-catalysts in the solar conversion application
光催化材料能夠利用水分解將太陽能轉化為氫能，得到氫氣和氧氣，氫氣具有高熱值和無汙染的特點，可以用作多種化學工業的原料，因而該方法在解決能源問題方面有著重要的應用前景，然而相比於極大的研究投入，當前真正的光催化產品卻寥寥無幾，目前光催化領域多數的科研產出仍舊停留在論文這單一層面，載流子複合率過高是阻礙光催化效率進一步提升的最大問題，也是目前研究的最大熱點。
根據高被引文獻分析，在與太陽能轉化領域中的光催化材料相關的研究方向中，近期受到關注度較高的包括：
傳統光催化劑的改進與新型光催化劑的研發、光催化機理研究、新的光催化反應以及光催化反應器等，通過調整催化劑組成和表面改性等措施，雙光子系統（Z-Scheme）和異質結兩種催化劑體系都展現出了可喜的研究前景，如何替代現有催化劑體系中的貴金屬也是研究的熱點。
從各年度國際專利申請和公開的數量來看，光催化材料在太陽能轉化領域中的應用從本世紀初才逐漸發展起來，2006年後才逐漸成為熱點，進入快速上升期，目前正處於技術成長期。
從公開專利的區域分佈看，中國和日本是光催化材料在太陽能轉化領域中的應用研究成效和潛力最被看好的地區。
美國、韓國、印度、澳大利亞、加拿大等是光催化材料在太陽能轉化領域中的應用的發展熱點地區。
在該研究方向，近年來較為突出的高被引論文成果由國內外科學家共同參與，相關機構包括日本東京大學、日本人工光合作用化學過程技術研究協會（ARPChem）、上海第二工業大學、山東科技大學、美國田納西大學、廈門大學、新加坡材料工程研究所、武漢大學、中科院物理所、北京科技大學、美國加州理工學院、日本國立材料研究所、美國勞倫斯伯克利國家實驗室、日本東京工業大學、東華大學等。
4. 高負荷高能鋰硫電池
High-loading and high-energy lithium-sulfur batteries
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。
5. 鈣鈦礦類材料的光電領域應用
Application of perovskite materials in optoelectronics
人們最早發現的鈣鈦礦類化合物是存在於鈣鈦礦礦石中的鈦酸鈣化合物，隨著研究不斷深入，科學家發現可以通過以其他元素替代此類材料中的鈣、鈦、氧來改善這種材料的物理化學性質，從而獲得一系列具有鈣鈦礦晶型的有機金屬鹵化物吸光材料。
近年來，鈣鈦礦類材料由於具有一系列優異的光電性質，引起了廣泛關注，具體應用包括太陽能電池、發光二極管、激光器、光電探測器、燃料電池、存儲器等。
根據高被引文獻分析，在鈣鈦礦類材料相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是其在各種光電應用中的進展：在鈣鈦礦太陽能電池領域，研究重點集中在材料體系、器件結構、薄膜製備方法以及光電機理等方面 , 其中徹底弄清鈣鈦礦型太陽能電池的光電轉換機理對於指導下一步的研發至關重要，近年來的進展包括通過採用SnO2作為電子傳輸材料獲得具有高結晶質量的電子傳輸層，以及通過採用新型梯度異質結結構來提高鈣鈦礦電池的光伏性能；在鈣鈦礦激光發射應用領域中，包括組成和結構對鈣鈦礦光電性能的影響（例如3D、低維多層、不同相態、納米結構和化學組成等）、器件構建、材料和器件在運行過程中的穩定性、無鉛材料的開發在內的一系列問題受到關注。
從各年度國際專利申請和公開的數量來看，鈣鈦礦光電技術從上世紀末才逐漸發展起來，2010年後才逐漸成為熱點，進入快速上升期，目前正處於技術成長期。
從公開專利的區域分佈看，中國和美國是鈣鈦礦光電技術研究成效和潛力最被看好的地區。日本、韓國、澳大利亞、加拿大等是鈣鈦礦光電技術發展熱點地區。
在鈣鈦礦太陽能電池研究方向，高被引論文成果大部分由我國科學家主持，相關機構包括中科院半導體所、上海交通大學等，國際上的領先研究機構包括日本國立材料研究所、瑞士洛桑聯邦理工學院、英國牛津大學、韓國成均館大學、韓國蔚山國家科學技術大學等；在鈣鈦礦光電應用研究領域中，國際上主要研究機構是韓國浦項工科大學、新加坡南洋理工大學、美國佛羅里達州州立大學，國內的南京工業大學表現較為突出。
6. CRISPR/Cas9 基因組編輯
CRISPR/Cas9 Genome Editing
基因組編輯是指在基因組水平上對目的基因序列甚至是單個核苷酸進行替換、切除，增加或插入外源DNA序列的基因工程技術。
CRISPR/Cas9 基因組編輯技術具有廉價、便捷、通用性強的特點，成為繼鋅指核酸酶（zinc-finger nucleases, ZFN）和轉錄激活因子樣效應因子核酸酶（transcription activator like effector nucleases, TALEN）後的第三代基因組編輯技術，並引發了持續至今的研究熱潮，在藥物研發、疾病治療、農業、工業等產業化領域均展現出巨大的應用潛力，分別於2013年和2015年兩次入選美國《科學》評選的十大科學突破。
根據高被引論文分析，受到關注度最高的是基因組編輯技術用於哺乳動物DNA甲基化方面的進展，其中CRISPR/Cas9 基因組編輯技術的應用主要體現在通過優化基因組編輯工具建立特定的小鼠DNA甲基化模型。
CRISPR/Cas9 基因組編輯技術的出現為哺乳動物模型構建提供了簡便、快速的途徑，也為基因疾病的治療提供新思路和新方法。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果由國內外科學家共同撰寫，相關機構包括麻省理工學院、加州理工大學、中國科學院、北京大學、清華大學等。
7. 心血管疾病精準治療
Precision Medicine of Cardiovascular Disease
心血管疾病的精準治療通過定位明確的患者亞組，確定與疾病基礎相關的分子靶標，使製藥公司與醫療機構更有針對性地開發心血管藥物與疾病治療方法，因此成為心血管疾病診療領域的研究熱點。
目前，全球已在心血管疾病精準醫療領域進行多方合作。
2017年美國心臟協會開放了其精準醫療平臺，讓來自世界各地的研究人員和醫生們分析了來自雪松—西奈心臟研究所、杜克臨床研究所和斯坦福大學等眾多機構的心血管數據，推動了心血管疾病精準醫療的快速發展。
根據高被引論文分析，在心血管疾病相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是美國心臟病學會（American College of Cardiology，ACC）、 美 國 心 髒 協 會（American Heart Association，AHA）等機構發佈的心血管疾病管理的指南，該指南對血漿利鈉肽等心血管疾病生物標誌物、射血分數降低性心衰的新型藥物治療、射血分數保留性心衰治療、重要合併症處理等進行了更新，為心血管疾病的精準治療提供了重要的參考。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文幾乎都來自美國心臟病學院、美國心臟學會等機構發佈的心血管疾病領域的管理指南與人群研究成果，相關機構包括哈佛大學、愛荷華大學、西北大學、約翰霍普金斯大學、賓夕法尼亞州立大學等。
8. 腫瘤 PD-1/PD-L1 免疫療法
Tumor Immunotherapy by PD-1/PD-L1
程 序 性 細 胞 死 亡 蛋 白 -1（programmed death-1，PD-1）是免疫細胞T細胞表面的一種受體蛋白，它可與腫瘤細胞表面表達的配體蛋白 PD-L1（programmed cell deathligand 1，PD-L1）結合，誘導腫瘤細胞的免疫逃逸。
PD-1 與 PD-L1 的抑制劑均可激活人體的免疫功能，從而實現抗腫瘤的目的，因此作為腫瘤免疫治療的重要靶點，已有相關藥物進入上市或臨床階段。
根據高被引論文分析，在PD-1/PD-L1免疫療法相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是已上市 PD-1/PD-L1 藥物在腫瘤治療中的進展。
該類研究分析了已上市或處於臨床階段的PD-1/PD-L1藥物，如Nivolumab，對於特定類型腫瘤的治療效果，包括藥物的組合治療方法與患者的生存率，對於 PD-1/PD-L1 靶點藥物的使用具有重要的參考意義。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果主要由美國、法國、英國、德國等國家的研究機構撰寫，相關機構包括哈佛大學、達納-法伯癌症研究所、約翰霍普金斯大學和加州大學等。
9. 抑鬱症的生物標誌物
Biomarkers for Depression
抑鬱症作為情感性障礙一種臨床類型，是以顯著而持久的情緒低落為主要特徵的精神障礙。其主要表現是以情感低落、思維遲緩和精神運動性抑制三大症狀為基本特徵。
抑鬱症的生物標誌物研究對於抑鬱症的診斷、分期和新藥物或新療法在目標人群中的安全性及有效性判定具有重要的意義。
目前，公認的抑鬱症生物標誌物主要為單胺類神經遞質、下丘腦-垂體-腎上腺軸因素（HPA軸）、細胞因子、腦源性神經營養因子（BDNF）等，隨著科學的發展，基因組學、蛋白質組學、代謝組學等新技術也逐漸應用於抑鬱症生物標誌物的篩選。
根據高被引論文分析，在抑鬱症的診斷標誌物相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是靜息態連接性生物標誌物在抑鬱症診斷中的進展。
該方法應用功能性磁共振成像（fMRI）將抑鬱症患者細分為不同的神經生理亞型，超越了現有的抑鬱症分型方法，推動了抑鬱症個體化治療的發展。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果主要來自美國的科學家，相關機構包括威爾康奈爾醫學中心、哥倫比亞大學、賓夕法尼亞大學、斯坦福大學、耶魯大學等。
10. 路易體痴呆症的鑑別診斷
Identification and Diagnosis of Dementia with Lewy Body
路 易 體 痴 呆 症（dementia with Lewy body，DLB）是最常見的神經變性病之一，其主要的臨床特點為波動性認知功能障礙、視幻覺和類似帕金森病（Parkinson's Disease）的運動症狀，主要病理特徵為路易氏體廣泛分佈於大腦皮層及腦幹。
DLB佔老年期痴呆的15%~20%，僅次於阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD），佔第2位。
路易體痴呆症的鑑別與診斷對於疾病分型與精準醫療，提升路易體痴呆症的治療水平意義重大。
根據高被引論文分析，在路易體痴呆症相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是針對路易體痴呆症診斷和管理的第四次路易體痴呆症聯盟（Dementia with Lewy Bodies Consortium）共識報告。
在該報告中，路易體痴呆症聯盟對路易體痴呆症的臨床診斷與病理診斷進行了改進，明確了臨床表現和診斷標誌物，為該疾病的診斷、治療以及預後提供了重要的參考。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果由英國、美國、澳大利亞、意大利、西班牙、日本等國家的機構與企業共同撰寫，相關機構與企業包括紐卡斯爾大學、美國梅奧診所、密西根大 學、悉尼大學、GE醫療、名古屋大學等。
11. 三維卷積神經網絡
3D Convolutional Neural Networks
卷積神經網絡由一個或多個卷積層和頂端的全連通層組成，同時也包括關聯權重和池化層。
相比較其他深度、前饋神經網絡，卷積神經網絡需要估計的參數更少，在圖像和語音識別方面能夠給出更優的結果，使之成為一種頗具吸引力的深度學習結構。
根據高被引文獻分析，在三維卷積神經網絡相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是三維卷積和三維池化操作，可以有效地表徵時間維度上的信息，提高了處理問題的效率和準確率。
此類研究中，三維卷積就是在空間進行卷積操作的同時，在時間維度上也進行卷積操作。
同三維卷積類似，池化層也需要擴展到三維。三維池化不僅可以保持二維池化的空間平移不變性，在時間維度上也具有一定的不變性。
經過三維池化處理後，網絡在時間維度上的變化更加魯棒。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果多數由我國科學家主持或參與，相關機構包括中國科技大學、清華大學、上海交大、北京交通大學等。在卷積神經網絡的其他研究方向上，還有電子科技大學、西安理工大學等機構的相關成果進入高被引論文之列。
12. 石墨烯的電化學傳感應用
The Application of Graphene in Electrochemical Sensors
石墨烯是由碳原子構成的二維材料，在力學、熱學、光學、電學、生物學等方面均顯示出多種特異的性能，在能量儲存、防腐塗料、電子信息、新型顯示、生物醫藥等方面均有重大的應用潛力，因此近年來受到了科研和產業界的廣泛關注。
在石墨烯相關的諸多研究方向中，近期受到關注度最高的是其在電化學傳感方面的進展。
此類研究主要是利用了二維結構比表面積大的特性，以石墨烯（或還原氧化石墨烯等衍生材料）為基質，同納米化的各種金屬、化合物、生物酶等敏感物質複合，形成具有特定微觀結構的新型材料，具有比傳統材料更加優異的靈敏度和響應 / 恢復特性。
同時石墨烯的優秀機械性能也使得一些產品的柔性化成為可能。
在該研究方向，一些突出高被引論文成果幾乎都由我國科學家主持或參與，相關機構包括中科院長春應化所、中國石油大學、清華大學、上海交大等。在石墨烯的其他研究方向上，還有東華大學、復旦大學等上海機構的相關成果進入高被引論文文之列。
13. 憶阻器在人工神經網絡中的應用
The Application of Memristors in Artificial Neural Network
目前流行的以深度學習為核心的人工智能主要是在數學算法模型的層面上模擬了生物神經網絡的特點，從而成功實現了許多成功的應用。
但目前許多專家認為，這一層面的粗淺模仿存在難以突破的瓶頸，未來人工智能的發展需要進一步借鑑生物神經網絡的結構和機理，才能實現真正意義上的智能。
憶阻器，全稱記憶電阻器（Memristor）。其電阻值會受流經它的電荷數量決定。這一特性使其能夠從物理結構和功能上模擬生物神經細胞學習強化的能力。
憶阻器在2008年由惠普公司發明。隨著近年來人工智能的飛速發展，儘管同實際的應用尚有距離，但憶阻器的研究熱度也迅速升溫，並被寄予了下一代人工智能發展的極大希望。
馬薩諸塞州大學阿默斯特分校、拉夫堡大學、惠普公司、鎂光科技公司等機構和企業參與了部分突出成果的研究。
14. 大氣甲烷濃度劇變
Dramatic Changes of Atmospheric Methane
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。
15. 原始黑洞
Primordial black holes
原始黑洞是一類理論中存在的誕生於宇宙初期的黑洞，同大恆星坍縮形成的黑洞相比具有更加悠久的壽命和不同的形成機理。
原始黑洞的存在始終未被證實，其形態、機理和影響始終是相關領域專家討論的熱點話題。
近年來，隨著希格斯玻色子和引力波的相繼發現，原始黑洞研究獲得了更加有力的理論和觀測工具。
2015年底以來美國的激光干涉引力波觀測臺（LIGO）檢測到了多次雙黑洞合併事件的引力波信號。
基於這些新的數據，一些研究者認為原始黑洞的存在已經能夠證實，並且在很大程度上同暗物質存在關聯。同時也有各種不同意見展開了熱烈討論。
在該研究方向，本報告涉及的高被引論文成果幾乎都是由致力於引力波的國際物理研究組織 LIGO 科學聯盟成員機構發表，國內的清華大學、中科大研究團隊也長期致力於該領域的研究。
來源：科學網