“賣炭翁，伐薪燒炭南山中”，唐代詩人白居易描繪了碳材料在古代人民日常生活中的重要地位。碳是一種典型的多孔材料，能用作繪畫、青銅煉制和防腐劑等多種領域。在歷史的發展長河中，多孔材料在現代化學和材料科學中占據了重要地位，但是其發展歷程直到近期才引發科學界關注。多孔結構如何影響材料的性質，如何設計多孔結構來實現特定的功能和最優的屬性仍是多孔材料研究領域的“一朵烏云”。

武漢理工大學蘇寶連教授團隊聯合華東師范大學何鳴元教授團隊總結了多孔材料的發展歷史，進一步提出了“孔科學與工程”的美好藍圖，該成果發表于《國家科學評論》（National Science Review）。

是什么推動了煉油化工的革命？是什么占據了固體非均相催化材料的半壁江山？自1756年從自然界中被發現以來，分子篩作為一種典型的多孔材料，經歷了化學組成和孔道尺寸的蓬勃發展，形成了無機結構、有機無機結構、有機框架結構和微孔、介孔、超大孔等多元發展的“黃金時代”。這些由單一層級孔道結構構成的多孔材料組成了多孔材料1.0。

隨著工業界對于催化反應效率和催化劑利用效率的提升，單一孔道的多孔材料逐漸無法滿足分子擴散的需求。等級孔結構是一種自然界生命經歷千百萬年演變得到的高效擴散結構。在2003年，一種大孔-介孔-微孔等級孔結構被首次合成得到。自此，等級孔被廣泛引入到分子篩材料中，來提升物質的傳輸擴散以及催化效率。這些等級孔材料具備層次性、貫通性和規律性的特征，組成了多孔材料2.0。

在多孔材料發展的歷史基礎上，為了進一步理性設計多孔結構，作者深耕孔道結構的重要屬性和設計理論，提出了“孔科學與工程”的概念，包括孔化學和孔結構：孔化學囊括了擇形效應、交通控制效應、限域效應、分子識別效應等重要的科學理念；孔結構包含了孔道結構的設計理論，包括高效擴散結構中孔道之間定量關系（廣義默里定律）和反應-孔道之間的定量關系（孔道尺寸、孔結構、籠域結構）。

多孔材料的發展歷程及未來發展方向

作者呼吁研究者們共同助力多孔材料進入一個新的發展時代，在人工智能等的助力下，實現理論指導和分子層面的精準調控。多孔材料的開發將實現從“試錯模式”到“按需設計”的轉變，助力效率的提升和“碳中和”的實現。

來源: 《中國科學》雜志社