近日，我校核磁共振与分子科学交叉研究院/化学与化工学院教授刘志强、郑安民团队与中科院大连化物所合作展开研究，在《Journal of the American Chemical Society》发表了题为“Molecular self-gating inside a zeolite catalyst”的重要研究成果（DOI: 10.1021/jacs.4c17510）。该研究在分子筛限域孔道中观测到分子扩散过程中的“自门控”现象，创新性地揭示了分子筛通过“交通堵塞（traffic jam）”与“交通顺畅（smooth traffic）”动态平衡调控分子扩散的微观机制，为选择性吸附分离、高压传感与高压存储等领域的应用奠定了重要的理论基础。论文通讯作者为刘志强、徐舒涛和郑安民教授，我校为论文第一完成单位。

物质的扩散现象普遍存在于从微观到宏观的各个尺度，在自然界和人类生活中发挥着至关重要的作用。这一现象在纳米限域空间中表现得尤为显著，其中沸石分子筛作为一类典型的微孔结晶硅铝酸盐材料，因其独特的孔道结构和优异的物理化学性质而备受关注。分子筛材料具有规整的纳米孔道结构和极高的比表面积，这些特性显著增强了分子和离子间的相互作用，使其在催化转化、分离纯化、离子交换等化工过程中展现出独特的优势，具有广阔的应用前景。

研究创新性地开发了三维自由能模型并建立了扩散轨迹随机行走聚类算法，成功实现了受限空间中最优扩散路径的自动识别，精确测定了所有扩散能垒，并系统解析了限制分子扩散的关键分子筛结构单元。基于这一方法学突破，研究团队通过整合分子动力学模拟、脉冲场梯度核磁共振以及二维交换光谱（EXSY）实验技术，在分子筛催化剂纳米孔道中首次发现了一种全新的扩散机制。研究揭示的“分子自门控效应”阐释了笼型分子筛（如RHO和MER）中扩散过程的浓度驱动机制：该效应通过“交通堵塞-交通顺畅”的动态平衡调控分子扩散。具体而言，在初始阶段，分子在孔道中形成门控结构，导致传输受阻（交通堵塞态）；当分子浓度达到临界阈值后，聚集分子对门控结构产生协同碰撞效应，促使扩散速率显著提升（交通顺畅态）。

这种新型扩散机制与分子筛的组成、拓扑结构、吸附质性质以及温度等因素密切相关。这一新发现的传输现象将极大地丰富现有的扩散行为理论体系。这种自门控效应不仅将为选择性吸附与分离研究提供新的理论基础，还将在高压传感与存储等领域展现出广阔的应用前景。

该工作得到国家自然基金委、科技部和湖北省科技厅等项目的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17510