孔科学与工程：引领多孔材料迈向分子级扩散设计新纪元

　　本刊推荐：为解决传统多孔材料扩散受限、催化效率低的问题，研究人员系统阐述了"孔科学与工程"新学科方向，提出通过分子级扩散行为精准设计实现反应需求导向合成，为下一代高效多孔材料（如Murray材料）的开发提供理论框架与技术路径，对催化、吸附、能源等领域具有重大意义。

　　

当我们使用净水器过滤自来水时，活性炭中的微小孔洞会吸附杂质；当化工厂通过催化裂化技术将重油转化为汽油时，沸石分子筛的规整孔道会对烃类分子进行择形催化——这些广泛应用背后的核心材料，正是具有多孔结构的特种材料。随着科技发展，从传统的活性炭、沸石，到新兴的金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF），多孔材料已在能源催化、吸附分离、放射性元素回收和生物医学工程等领域扮演关键角色。2023年全球沸石产品市场规模已达675亿美元，其中吸附剂（65%）和催化剂（20%）是主要产品。

然而传统单级孔材料正面临严峻挑战：其均一的孔径虽然能提供择形选择性，但分子在狭窄孔道内的扩散阻力极大，导致反应物无法快速进入活性位点、产物难以及时脱离，严重制约了材料效率。为突破这一瓶颈，科学家开发了分级多孔材料（Hierarchically Porous Materials），通过构建多级孔道系统显著提升传质效率。但研究发现，单纯追求快速扩散并不总能提升综合性能：在涉及多步骤的复杂催化反应中，短距离快速扩散可能导致不同活性位点间发生副反应，而长距离扩散又易引发不必要的副反应。因此，如何实现催化过程与扩散行为的精准匹配，成为下一代多孔材料设计的核心难题。

在这一背景下，浙江大学的陈丽华教授、何明远教授和比利时那慕尔大学的苏宝连教授在《国家科学评论》（National Science Review）联合发表前瞻性论文《孔科学与工程：多孔材料的新时代》，首次系统提出"孔科学与工程"（Pore Science and Engineering）学科框架，为多孔材料的发展指明了新方向。

研究人员主要采用学科框架构建法、文献计量分析法和理论建模法开展研究。通过对多孔材料发展历程的系统梳理，结合跨学科理论整合（包括材料学、化学工程和生命科学中的等级律），建立了包含孔化学（Pore Chemistry）和孔结构（Pore Structure）两大支柱的新学科体系。

多孔材料的演进：从1.0到2.0

作者首次按孔结构特征对多孔材料进行系统性分类：将具有单一孔径和规则孔道的传统材料定义为"多孔材料1.0"（Porous Materials 1.0），这类材料虽具有精确的择形选择性，但扩散限制问题突出；将具有多级、互联和规则孔道结构的分级多孔材料归类为"多孔材料2.0"（Porous Materials 2.0），这类材料不仅保持了结构稳定性，更显著提升了传质效率。分级结构源于生命进化中的等级律（Hierarchy Law of Life），通过在单晶内构建多级孔系统，实现了材料性能的质的飞跃。

孔化学：分子行为的精准调控

孔化学重点关注分子在孔道内的行为机制，包括四大效应：形状选择效应（Shape-selective Effect）使材料能够筛选特定构型分子；交通控制（Traffic Control）调控不同分子在孔道中的传输优先级；限域效应（Confinement Effect）显著改变孔内分子的电子结构和反应路径；分子识别效应（Molecular Recognition Effect）赋予材料特异性结合目标分子的能力。这些效应共同决定了分子在多孔材料中的行为模式，为精准调控化学反应提供了理论基础。

孔结构：定量设计的新范式

孔结构设计以广义Murray定律（现称为Su's Law）为核心，建立了不同等级孔道尺寸间的定量关系，以及孔结构与客体分子（反应物、中间体和产物）之间的相互作用规律。这一理论实现了从"试错-修正"传统模式向"反应需求导向合成"（Reaction-demanded Synthesis）的创新转变，使研究人员能够针对特定反应需求定向设计最优孔结构，如Murray材料的设计制备。

研究结论与展望

该研究开创的"孔科学与工程"学科，从分子水平理解扩散行为，从定量角度设计孔结构，为多孔材料的发展提供了全新范式。作者强调，理解分子在孔道内的行为规律、发展孔结构设计理论，最终目标是实现扩散行为的精确设计。鉴于分子行为和孔结构的复杂性，需要研究人员共同努力并借助人工智能（AI）技术推动该领域发展。

在"孔科学与工程"指导下，下一代多孔材料将展现出精心设计的多级扩散行为。借助AI技术，不仅能够针对特定反应轻松设计新型多孔材料，还能对现有工业过程中使用的催化剂、吸附剂等进行优化，实现效率提升、能耗降低和排放减少的综合目标。这一学科框架的建立，标志着多孔材料研究正式进入分子级精准设计的新时代，对能源、环境、化工等多个重要领域将产生深远影响。