近日，精密測(cè)量院鄭安民研究團(tuán)隊(duì)在沸石分子篩限域擴(kuò)散領(lǐng)域取得新進(jìn)展，利用分子篩限域環(huán)境實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)鏈烷烴分子自由度的精準(zhǔn)調(diào)控，通過(guò)分子“懸浮”效應(yīng)實(shí)現(xiàn)其超快擴(kuò)散。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然.通訊》（Nature Communications）上。

　　亞納米級(jí)別的多孔材料是典型的限域反應(yīng)器，其中吸附質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)與常規(guī)體相下有著顯著差異。前期研究表明，分子篩限域孔道中的擴(kuò)散系數(shù)與常規(guī)體相下呈現(xiàn)出跨越數(shù)量級(jí)的區(qū)別，常規(guī)情況下限域孔道會(huì)抑制分子的擴(kuò)散，進(jìn)而影響催化劑的反應(yīng)和分離效率。如何在這種限域空間中實(shí)現(xiàn)快速的擴(kuò)散是催化和分離工藝中亟待解決的難題, 也是近年來(lái)科學(xué)家們一直致力于實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

　　團(tuán)隊(duì)基于多尺度理論模擬，發(fā)現(xiàn)在一定孔徑范圍內(nèi)，分子篩限域孔道中存在孔徑越大長(zhǎng)鏈烷烴擴(kuò)散越慢的反常擴(kuò)散現(xiàn)象。受到超級(jí)高鐵運(yùn)行原理的啟發(fā)，建立了一系列亞納米直孔道模型，確定了長(zhǎng)鏈烷烴實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)散的條件—客體分子“懸浮”在孔道正中心運(yùn)行并保持線性構(gòu)型（圖1）。根據(jù)該模型篩選出一系列真實(shí)存在的孔徑適中的分子篩（TON、MTW、AFI和VFI），驗(yàn)證了該理論模型的正確性。進(jìn)一步基于主客體相互作用、彎曲角度、擴(kuò)散軌跡和擴(kuò)散自由能分析（圖2），揭示了調(diào)控長(zhǎng)鏈分子自由度達(dá)到分子“懸浮”的條件從而實(shí)現(xiàn)超快擴(kuò)散的微觀機(jī)理。進(jìn)一步與中科院大連化物所葉茂研究團(tuán)隊(duì)合作，基于吸附速率法擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分子篩中長(zhǎng)鏈烷烴的超快擴(kuò)散行為。在TON、MTW和AFI分子篩中短鏈（C4）和長(zhǎng)鏈烷烴（C12）的擴(kuò)散趨勢(shì)與孔徑呈現(xiàn)出完全相反的狀態(tài)：短鏈烷烴的擴(kuò)散系數(shù)隨著孔徑的增大而增加，而長(zhǎng)鏈烷烴的擴(kuò)散系數(shù)隨著孔徑的增大而減小。利用紅外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同孔徑中長(zhǎng)鏈分子的形變差異（小孔徑中分子形變較小，大孔徑與之相反），這些結(jié)果與分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)論一致，從而揭示了線性長(zhǎng)鏈烷烴在限域孔道中的超快擴(kuò)散機(jī)制。

長(zhǎng)鏈烷烴的“超級(jí)高鐵式”擴(kuò)散機(jī)理

不同類型孔道中長(zhǎng)鏈烷烴吸附結(jié)構(gòu)特性和擴(kuò)散性能

　　本工作根據(jù)超級(jí)高鐵的運(yùn)行原理結(jié)合限域分子的擴(kuò)散“懸浮”效應(yīng)，設(shè)計(jì)出長(zhǎng)鏈烷烴的超快擴(kuò)散模型，并將其推廣到分子篩篩選體系中，結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該模型的可行性和準(zhǔn)確性。這為限域孔道中長(zhǎng)鏈分子的擴(kuò)散調(diào)控提供了新的視角，為分子篩的設(shè)計(jì)和篩選提供了理論指導(dǎo)。文章第一作者是精密測(cè)量院博士生袁家敏和大連化物所博士高銘濱，通訊作者是精密測(cè)量院特別研究助理劉志強(qiáng)，大連化物所研究員葉茂、和精密量院研究員鄭安民。  

　　該研究工作得到了科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。  

      文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37455-3