从“别无他途”到“条条大道通罗马”,等级孔材料的最优化设计原理 | NSR
The following article is from 中国科学杂志社 Author 《国家科学评论》
从自然环境到社会体系，只要是需要运输或联通的网络，都离不开“等级”：交通网络由不同级别的干道和小路组成；生物体中，无论是动物的循环系统、呼吸系统还是植物的水分运输系统，都要靠多层次等级的器官和组织才能高效运行。
而在材料领域，如果多孔材料只拥有单一尺寸的微孔，材料中分子的扩散往往会陷入“别无他途”的窘境，能耗高、流通扩散性低。所以，许多科学家都致力于在材料中打造“海陆空融合互补的3D交通网”，设计等级材料来达到效率最大化的目标。
目前，等级材料的设计缺乏理论指导，依然遵循着“试验-测试-优化-再测试”的传统模式。基于这一挑战，武汉理工大学研究团队（陈丽华研究员、李昱教授和苏宝连教授）在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）上发表了前瞻性观点文章，提出了基于广义默里定律建立等级孔属性与等级孔材料性能之间定量关系的设想，有望为理论与合成这对“牛郎织女”搭起“鹊桥”。
1926年，塞西尔·默里（Cecil Murray）提出默里定律，用以定量描述人体血液循环等自然界中的等级结构。但是这个经验定律没有考虑物质传输中质量的变化。所以这个定律没能在材料设计、工业反应过程中得到很好的应用。
作者团队考虑到物质传输过程中的质量变化和固定表面物质交换，将默里定律发展为广义默里定律，建立了最优化等级孔中，不同层级孔道之间孔径的精确关系（方程（1）和（2））：
基于广义默里定律，作者团队开发出了具备高物质传输和扩散性能的等级孔大孔-介孔-微孔ZnO材料，该材料在液相-固相、气相-固相和电催化体系中均展现出优异的性能。在短时间内，广义默里定律已被广泛用于等级孔材料的设计合成和应用，例如具备快速水传输的薄膜材料、具备超强电子传输的MOF气体感应材料、具备高效物质传输的Co-N-C电催化材料和具备优异催化性能的分子筛材料等。
文章提出，在广义默里定律的指导下，结合自然界中众多最优化的等级孔生物结构和先进的人工智能技术，能够将经验性的原理和规则转换成定量的公式，根据孔道结构的属性，例如孔径、孔的结构和形状、孔的表面性质和不同层级孔之间的相互作用等，来定量地设计、合成、应用所需的等级孔材料。这种“应用需求-理论设计-定向合成”的思路将有望实现对等级孔材料的可控合成和性能最优化。
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Hierarchy in materials for maximized efficiency
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa251