人工智能驱动化学品创新设计的实践与展望

改进化学品研发模式，缩短化学品从发现到应用的时间是化工行业中所有科学研究者和产业人员的最终目标。本文提出：化学品设计是一个涉及多组分、多尺度和多物理场的复杂过程，现有的实验研究模式难以深入高效地揭示相关的物理化学机制；因此，需要借助多尺度计算机模拟技术，从微观分子层面的化学结构出发，耦合多种模拟方法来预测宏观产品的性能；同时，随着计算机算力的提升，将基于物化机制的多尺度计算机模拟方法与数据驱动的人工智能相结合的研发模式，具有广阔的应用前景，例如基于高精度多尺度模拟数据训练的机器学习模型能够指数级地缩短化学品结构-性质的预测。尽管如此，由于广阔的分子结构空间和复杂的分子作用力关系，新型化学品研发面临着众多独特的挑战。如何借助人工智能提高现有模拟技术的准确性与速度，更好地理解和预测材料的性质和特点，并将人工智能引入材料设计算法，以实现更高效地探索和优化复杂的化工设计参数，使其更适应实际需求，是化学品设计研究的前沿方向。本文从多尺度模拟、材料设计框架和科学计算软件开发三个方面，分析讨论了人工智能驱动化学品创新设计的发展现状，阐述了人工智能技术在实现化学品设计创新途径中所起的重要作用，并对人工...     

微流控法可控构建微尺度功能材料

微尺度功能材料的功能取决于材料结构和组分的精确协同匹配,但如何实现微尺度空间上多样化材料结构的精确调控和功能组分的精确协同定位仍是一大挑战。本文综述了微流控法可控构建新型微尺度功能材料的研究新进展,重点介绍了基于微流控制备的微尺度相界面体系中材料结构和组分的精确协同匹配来设计构建具有独特结构和功能的微尺度功能材料的新策略。首先介绍了以液滴状和液流状微尺度相界面体系为模板,分别可控构建具有多样化结构的功能微颗粒和微纤维的进展;然后介绍了以微通道受限空间内微尺度相界面体系为模板、原位可控构建微通道膜和功能微阀的进展。今后研究应关注于微尺度相界面体系的结构扩展创新及其规模化制备技术。     

微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展

功能微颗粒材料因其微型化和多功能化等优点而在诸多领域具有广泛的应用。微流控技术可控制备的多样化乳液液滴体系为功能微颗粒材料的创新设计与可控制备提供了优良而独特的模板。深入研究乳液模板法构建功能微颗粒材料过程中介尺度结构的形成与演变规律，以及液滴界面介尺度结构与乳液动力学行为、界面传质与反应耦合对微颗粒介尺度结构的影响规律等，对于实现乳液模板结构调控与新型功能微颗粒材料创新制备具有重要意义。本文主要综述了微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展，着重涵盖了两方面内容：（1）微流控法可控制备乳液模板的过程中，液滴界面两亲分子聚集态介尺度结构的调控与液滴运动、吞并、融合、相界面定向演变等动力学行为之间的相互影响关系和调控机制，以及上述调控对液滴形貌、结构和组成的影响规律；（2）乳液模板制备功能微颗粒的过程中，界面传质、反应，及两者耦合对微颗粒介尺度结构的定向调控，以期为新型功能微颗粒材料的高效制备与性能强化提供科学指导。     

化学工程的发展趋势——认识时空多尺度结构及其效应

综述了化学反应工程中复杂时空多尺度结构及特征,指出研究时空多尺度结构特征及其各尺度之间相互作用规律等是认识物质传递、反应、分离及对产品结构和性能影响的关键科学,可对化工生产中设计、放大及调控和优化起到重要的指导作用,并对21世纪化学工程的发展产生深远的影响。     

电化学反应器隔膜材料的分子设计与介尺度策略

电化学反应器中隔膜材料是将正极和负极在电子通路上隔开但在离子传输通路上保持畅通的特殊材料。作为电化学反应器三个关键材料之一,隔膜材料还需耐强酸/强碱和高电压等环境。围绕电化学反应器中隔膜材料,从分子设计的角度针对材料电化学性能与化学稳定性的调控、电化学装置的介观传质性能的促进和改善等研究思路与进展进行了综述,为相关研究提供性能导向的分子设计参考。     

材料化学工程科学内涵及方法初探:从介观尺度界面流体行为出发认知材料

作为一门新兴的交叉学科,材料化学工程科学内涵的进一步凝练和方法论的建立显得十分重要和迫切。介观尺度下界面流体的研究对于材料化学工程具有重要意义,材料化学工程的科学内涵在于通过认识介观尺度下界面处流体行为来"认知"材料,以期建立材料结构、性能(应用)与制备(生产)三者之间的关系。其中,弄清介观尺度下复杂作用和复杂结构对界面流体行为的影响,是"认知"材料的关键。分子模拟技术作为单因素遴选介观尺度各影响因素的有效手段,在实际应用中存在两大难点:如何同时获得界面流体反应和传递两个方面的信息;如何实现分子层面认识在材料应用层面的转化。基于此,初步讨论了材料化学工程研究方法的发展趋势。     

低阶煤溶剂萃取研究进展

低阶煤的高效利用是近年来煤化工工作者研究的重点方向之一。本文综述了索氏萃取、超声辅助萃取、微波辅助萃取、化学处理辅助萃取和热萃取等溶剂萃取技术在低阶煤组成结构和转化研究中的应用。最后指出随着萃取技术的发展,可望从分子水平上揭示低阶煤的组成结构特征,从而实现其高效洁净转化。     

水泥领域中纳米技术的应用研究现状

纳米科学技术自上世纪80年代以后得到了飞快发展,人类可以通过控制Mesoscopic结构,在介观体系内创造颏的功能材料,从而使材料科学进入了一个新时代。纳米技术主要有两点应用研究内容,其一是以纳米尺度观点研究材料领域中的“微观结构”,控制和设计分子与原子等纳米级组织,创造新物质;其二是利用纳米功能材料微粉作为混合剂、催化剂等与其他传统材料混合或复合,成为具有新性能的结构材料或改善了传统材料特性。     

单层氧化石墨烯上直写制备纳米功能器件

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室在分子尺度量子调控研究领域取得新进展。研究人员利用原子力针尖诱导的局域催化还原反应实现了在单层氧化石墨烯上直写纳米图形和制备功能器件。单层石墨烯具有独特的电子结构和电学、热学、力学性能,有望成为未来信息器件的理想材料。如何在二维的石     

复杂材料的微相分离和结构演变

共聚高分子和表面活性剂系统常常能够形成不同尺度的复杂结构,在材料和生物技术领域具有广泛的用途.这种结构及其形成过程与自然界中大量存在的斑图及其演化过程具有非常类似的机理,受到不同学科研究者的广泛关注.在高分子系统的分子热力学、微相分离及结构演变过程领域已经开展了大量的研究工作,已成为凝聚态物理、高分子物理、统计力学理论和计算机模拟的热点之一.在分子尺度上,基于格子和自由空间的分子热力学模型、计算机分子模拟方法可以用于描述高分子系统的相平衡和分子的聚集形态.在介观尺度上,时间相关的Ginzberg-Landau理论、元胞动力学方法等可以有效地研究微相分离结构的演变过程及其受外场的影响.而耗散粒子动力学模拟则可以将分子尺度和介观尺度的研究结合起来,是一种跨尺度的研究方法.多尺度研究方法的发展将成为今后研究的重点.本文总结了该领域的某些研究进展.     

介尺度设计功能新材料研究进展

随着材料多尺度问题的认识与提高，新材料设计的构效关系已经远远超越了结构-性能关联，而是往更加本质的体系自由度及其耦合机制方向深入拓展。新材料设计需要从材料的量子本质明确其性质来源。介尺度结构的动态演变过程表现出了丰富的量子效应，同时材料中的电荷、自旋、轨道、晶格、缺陷、掺杂等自由度及其耦合是材料丰富功能的本质起源。基于介尺度动态结构演变的思想，建立从“分立结构”到“动态结构”到“多尺度多层次结构”的新材料设计思路，基于多自由度耦合范式建立多自由度耦合、解耦的模型，定性、定量、定位地表达各种相互作用对功能材料性质的贡献，是实现功能新材料量子设计的有效途径。重点论述了介尺度设计功能新材料的最新研究进展，特别集中于团簇、量子点、量子材料、稀土基材料等介尺度调控及其特殊性能。     

低温开放体系配阴离子对合成硅基铝多孔材料的影响

以十六烷基三甲基溴化铵为模板,六水氯化铝和十八水硫酸铝在低温开放体系分别与正硅酸乙酯直接进行固/液反应,合成非晶结构的铝掺杂氧化硅微介孔材料。并用XRD、HRTEM、SEM/EDS、低温N2吸附、FTIR和原子吸收光谱TAS等技术对产物的结构和吸附性能进行表征。探讨了微介孔的形成机理。结果表明,在酸性和阳离子表面活性剂共存条件下,所制得的铝掺杂氧化硅微介孔材料呈不规则形状,其孔壁均为无定型;掺杂金属铝进入氧化硅晶格。铝源中配阴离子不仅影响材料的物相织构、材料的元素组成,而且还影响其吸附性能。     

固定化生物催化剂

从1953年沃森(Watson)和克里克(Crick)提出DNA双螺旋模型,揭示出基因的分子结构之后,从分子水平上研究生命现象的分子生物学取得了惊人的进展。在研究基因结构及功能的基础上,基因重组技术、细胞融合技术、生物反应技术等成果不断涌现。     

碳纤维微观结构表征： Raman光谱

Raman光谱作为材料微观结构表征的重要方法,其对碳材料的结构具有相当的敏感性,在0～3300cm^-1的波数范围内都有相当显著的谱峰响应。其中,理想石墨晶格面内CC键伸缩振动的G线和由无序结构引起的D线是认识碳材料纳米尺度结构特征的关键切入点。基于上述特征指标可以获得碳结构微观应力、晶态结构、石墨化度及结构不均匀性等一系列结构特征,是研究碳纤维微观结构及其形成、演变过程的重要技术手段。近年来,随着以“Mapping”技术为代表的系列新技术的成功应用,针对碳纤维微观结构的Raman光谱应用技术出现了一系列新的进展。本文以Raman光谱的碳纤维微观、介观层面的应用技术为切入点,综述了近年来Raman光谱在碳纤维微观应力/应变、晶态结构、石墨化度及结构不均匀性等方面的进展情况。     

利用固体核磁共振技术实验表征MgGaAl水滑石结构

水滑石(Layered Double Hydroxide,LDH)因其在催化、医药和吸附等方面的广泛应用受到了众多研究者的关注。由于这些优异的性能与LDH层板中的金属阳离子排列顺序有着直接的联系,因此要实现对LDH材料的有效调控,首先,要对材料的局域结构进行深入研究,其中固体核磁共振(Solid state NMR)是一种可从分子/原子尺度探测局部结构的强有力的工具。本文采用简单的共沉淀法将Ga³⁺引入MgAl-LDH层板中,进一步调控Ga/Al比,合成了MgGaAl-LDH系列材料。²⁷Al NMR及⁷¹Ga NMR的结果表明,Ga³⁺的引入对²⁷Al、⁷¹Ga周围的局部环境影响很小,因此不会引起相应的局部结构变化,且²⁷Al NMR和⁷¹Ga NMR的四极参数之间存在相关性。该结论 可能为设计、制备特定功能的MgGaAl-LDH材料及以MgGaAl-LDH为前驱体的新型功能材料提供理论依据和基础。     

增材制造光电功能薄膜和器件研究进展

光电功能薄膜和器件在平面显示、固态照明、信息传递与储存、新能源和光化学等领域应用广泛,进一步提升其性能是当前关注的热点。增材制造作为一种过程简单、高精度、无需模具、节约材料、满足个性化和批量化的智能制备技术,近年来在制备先进光电功能薄膜和器件方面受到广泛关注。本工作综述了当前光电功能薄膜和器件领域主要的增材制造技术及其研究进展,重点介绍了喷墨打印、电流体打印和直接书写技术在制备具有三维结构的光电功能薄膜方面的研究进展,及其在复杂结构和微结构多尺度原位调控方面存在的挑战;进而介绍了气溶胶喷射打印技术,基于其液滴的微反应过程,在光电功能薄膜制备过程中有助于实现微纳米尺度原位控制;同时简要介绍了增材制造技术在开发包括碳基材料和MXene在内的光电功能材料和器件方面的进展;最后对增材制造技术在光电功能薄膜和器件领域的研究重点进行了概述,尚待进一步加强对材料与墨水配方的研发和打印过程调控及新型增材制造技术的开发,并提出了实现多尺度结构原位调控是未来基于增材制造技术开发新型高性能光电功能材料和器件的发展方向。本综述对了解增材制造光电功能薄膜和器件的发展水平和发展趋势具有积极意义。     

从ILs到PILs:聚合离子液体介孔材料的制备性质及结构调控方法

聚合离子液体(PILs)是一种特殊聚电解质,兼具聚合物和离子液体(ILs)特性。根据PILs组成和结构的变化,它可以是固体、液体或凝胶状软物质,目前已成为ILs和介孔聚合材料领域的前沿研究方向之一。本文简要回顾了ILs的特性、潜在应用及其设计和应用过程中面临的挑战,分析了PILs概念提出的必然性,综述了PILs的主要合成方法、ILs单体的种类以及PILs性质和多尺度结构的调控方法,指出未来PILs的研究方向应集中在如下几个方面:PILs的新合成路线、产品的系统表征(如相对分子质量、链段结构、微/介观结构、机械强度和机械加工性等)以及PILs的组成-结构-性质关系,为面向特定应用的PILs材料的设计提供理论指导。     

化学外加剂与水化硅酸钙相互作用的分子动力学研究进展EI北大核心CSCD

掺入化学外加剂是提升水泥基材料性能的有效方法。然而,各类化学外加剂在分子尺度上的作用机制仍需进一步明晰。水化硅酸钙(C–S–H)作为水泥水化的主要产物,控制着水泥基材料的各项宏观性能。分子动力学模拟可在分子/原子尺度上揭示化学外加剂分子与C–S–H的相互作用及其对C–S–H性能的影响。综述了近年来针对有机和无机化学外加剂与C–S–H在分子尺度上的相互作用及其对C–S–H性能影响机理的分子动力学研究进展,并展望了关于化学外加剂–(C–S–H)体系分子动力学模拟的后续研究方向。总结的化学外加剂包括有机小分子、树脂和纤维、水溶性聚合物等有机外加剂,以及(改性)石墨烯、硅烯、碳纳米管、各类纳米粒子等无机外加剂。分子动力学模拟研究重点关注各类外加剂与C–S–H界面的相互作用,这一作用的理解有助于揭示外加剂对C–S–H材料力学性能的提升机理。此外,针对有机小分子、水溶性聚合物及部分纳米粒子等外加剂,大量研究采用分子动力学方法,揭示此类外加剂对C–S–H层状结构的吸附、插层、聚集阻塞等微观作用,从而阐明这些外加剂对C–S–H力学性能、传输性能,乃至收缩行为的作用机理。这些认识,为有效提升水泥基材料性能、外加剂分子结构设计提供理论启发。     

基于微量热法对多孔碳与双氧水相互作用过程的传质阻力分析

多孔材料作为催化剂对现代化学工业起到重要推动作用,但其纳米受限孔道造成的界面传递问题不容忽视。直接法合成双氧水（H₂O₂）过程中,揭示H₂O₂脱附过程传递与反应竞争博弈的介尺度机制是提高产率的关键。线性非平衡热力学为解耦界面扩散及反应提供了统一框架,但缺少合适通量测定方法。因此,本文设计多孔碳与H₂O₂相互作用的微量热实验,结合分子模拟及孔结构表征实验揭示多孔碳材料的界面传递结构,实现了非平衡热力学的定量传质阻力分析,进一步获取了表界面浓度场的动态变化。研究结果表明：微量热法是定量解耦并揭示扩散-反应机制的有效线性非平衡热力学阻力分析方法;介孔结构、生物骨架结构及担载1%（质量） Pd元素均能增强H₂O₂在多孔碳中的传质通量,但实现超高通量需要扩散与反应阻力的匹配;非平衡热力学阻力解耦方法是揭示多相反应过程介尺度机制的重要定量描述方法,有望为过程的调控及优化提供理论依据。     

PP/PA11共混物微、介观形态的分子模拟

采用分子动力学（MD）和介观动力学（MesoDyn）模拟方法研究了不同质量含量（10/90、30/70、50/50、70/30和90/10）PP/PA11共混物的相容性和介观形态结构。通过对MD模拟得到的Flory-Huggins相互作用参数（χ）和PP-PP、PA11-PA11及PP-PA11分子间C-C原子对径向分布函数的研究表明：当PP与PA含量为90/10时两者具有一定的相容性,而其它比例的相容性则较差。为了进一步研究共混物的介观形态结构,采用MesoDyn模拟方法在介观尺度对共混体系的介观形貌进行了研究,将通过MD模拟计算的分子间相互作用参数和其他结构参数（重复单元个数、聚合度和极限特征比等）转化为MesoDyn模拟的输入参数,实现了微、介观多尺度模拟的连接。