武科大網訊（通訊員劉志強）近日，我校核磁共振與分子科學交叉研究院/化學與化工學院教授劉志強、鄭安民團隊與中科院大連化物所合作展開研究，在《Journal of the American Chemical Society》發表了題為“Molecular self-gating inside a zeolite catalyst”的重要研究成果（DOI: 10.1021/jacs.4c17510）。該研究在分子篩限域孔道中觀測到分子擴散過程中的“自門控”現象，創新性地揭示了分子篩通過“交通堵塞（traffic jam）”與“交通順暢（smooth traffic）”動態平衡調控分子擴散的微觀機制，為選擇性吸附分離、高壓傳感與高壓存儲等領域的應用奠定了重要的理論基礎。論文通訊作者為劉志強、徐舒濤和鄭安民教授，我校為論文第一完成單位。

物質的擴散現象普遍存在于從微觀到宏觀的各個尺度，在自然界和人類生活中發揮著至關重要的作用。這一現象在納米限域空間中表現得尤為顯著，其中沸石分子篩作為一類典型的微孔結晶硅鋁酸鹽材料，因其獨特的孔道結構和優異的物理化學性質而備受關注。分子篩材料具有規整的納米孔道結構和極高的比表面積，這些特性顯著增強了分子和離子間的相互作用，使其在催化轉化、分離純化、離子交換等化工過程中展現出獨特的優勢，具有廣闊的應用前景。

研究創新性地開發了三維自由能模型并建立了擴散軌跡隨機行走聚類算法，成功實現了受限空間中最優擴散路徑的自動識別，精確測定了所有擴散能壘，并系統解析了限制分子擴散的關鍵分子篩結構單元。基于這一方法學突破，研究團隊通過整合分子動力學模擬、脈沖場梯度核磁共振以及二維交換光譜（EXSY）實驗技術，在分子篩催化劑納米孔道中首次發現了一種全新的擴散機制。研究揭示的“分子自門控效應”闡釋了籠型分子篩（如RHO和MER）中擴散過程的濃度驅動機制：該效應通過“交通堵塞-交通順暢”的動態平衡調控分子擴散。具體而言，在初始階段，分子在孔道中形成門控結構，導致傳輸受阻（交通堵塞態）；當分子濃度達到臨界閾值后，聚集分子對門控結構產生協同碰撞效應，促使擴散速率顯著提升（交通順暢態）。

這種新型擴散機制與分子篩的組成、拓撲結構、吸附質性質以及溫度等因素密切相關。這一新發現的傳輸現象將極大地豐富現有的擴散行為理論體系。這種自門控效應不僅將為選擇性吸附與分離研究提供新的理論基礎，還將在高壓傳感與存儲等領域展現出廣闊的應用前景。

該工作得到國家自然基金委、科技部和湖北省科技廳等項目的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17510