近日，精密測量院鄭安民研究團隊在沸石分子篩限域擴散領域取得新進展，利用分子篩限域環境實現長鏈烷烴分子自由度的精準調控，通過分子“懸浮”效應實現其超快擴散。相關研究成果發表在《自然.通訊》（Nature Communications）上。
亞納米級別的多孔材料是典型的限域反應器，其中吸附質的物理化學性質與常規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散系數與常規體相下呈現出跨越數量級的區別，常規情況下限域孔道會抑制分子的擴散，進而影響催化劑的反應和分離效率。如何在這種限域空間中實現快速的擴散是催化和分離工藝中亟待解決的難題, 也是近年來科學家們一直致力于實現的目標。
團隊基于多尺度理論模擬，發現在一定孔徑范圍內，分子篩限域孔道中存在孔徑越大長鏈烷烴擴散越慢的反常擴散現象。受到超級高鐵運行原理的啟發，建立了一系列亞納米直孔道模型，確定了長鏈烷烴實現快速擴散的條件—客體分子“懸浮”在孔道正中心運行并保持線性構型（圖1）。根據該模型篩選出一系列真實存在的孔徑適中的分子篩（TON、MTW、AFI和VFI），驗證了該理論模型的正確性。進一步基于主客體相互作用、彎曲角度、擴散軌跡和擴散自由能分析（圖2），揭示了調控長鏈分子自由度達到分子“懸浮”的條件從而實現超快擴散的微觀機理。進一步與中科院大連化物所葉茂研究團隊合作，基于吸附速率法擴散實驗驗證了分子篩中長鏈烷烴的超快擴散行為。在TON、MTW和AFI分子篩中短鏈（C4）和長鏈烷烴（C12）的擴散趨勢與孔徑呈現出完全相反的狀態：短鏈烷烴的擴散系數隨著孔徑的增大而增加，而長鏈烷烴的擴散系數隨著孔徑的增大而減小。利用紅外實驗驗證了不同孔徑中長鏈分子的形變差異（小孔徑中分子形變較小，大孔徑與之相反），這些結果與分子動力學模擬的結論一致，從而揭示了線性長鏈烷烴在限域孔道中的超快擴散機制。
長鏈烷烴的“超級高鐵式”擴散機理
不同類型孔道中長鏈烷烴吸附結構特性和擴散性能
本工作根據超級高鐵的運行原理結合限域分子的擴散“懸浮”效應，設計出長鏈烷烴的超快擴散模型，并將其推廣到分子篩篩選體系中，結合理論和實驗證實了該模型的可行性和準確性。這為限域孔道中長鏈分子的擴散調控提供了新的視角，為分子篩的設計和篩選提供了理論指導。文章第一作者是精密測量院博士生袁家敏和大連化物所博士高銘濱，通訊作者是精密測量院特別研究助理劉志強，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家自然科學基金的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37455-3
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