“卖炭翁，伐薪烧炭南山中”，唐代诗人白居易描绘了碳材料在古代人民日常生活中的重要地位。碳是一种典型的多孔材料，能用作绘画、青铜炼制和防腐剂等多种领域。在历史的发展长河中，多孔材料在现代化学和材料科学中占据了重要地位，但是其发展历程直到近期才引发科学界关注。多孔结构如何影响材料的性质，如何设计多孔结构来实现特定的功能和最优的属性仍是多孔材料研究领域的“一朵乌云”。

武汉理工大学苏宝连教授团队联合华东师范大学何鸣元教授团队总结了多孔材料的发展历史，进一步提出了“孔科学与工程”的美好蓝图，该成果发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

是什么推动了炼油化工的革命？是什么占据了固体非均相催化材料的半壁江山？自1756年从自然界中被发现以来，分子筛作为一种典型的多孔材料，经历了化学组成和孔道尺寸的蓬勃发展，形成了无机结构、有机无机结构、有机框架结构和微孔、介孔、超大孔等多元发展的“黄金时代”。这些由单一层级孔道结构构成的多孔材料组成了多孔材料1.0。

随着工业界对于催化反应效率和催化剂利用效率的提升，单一孔道的多孔材料逐渐无法满足分子扩散的需求。等级孔结构是一种自然界生命经历千百万年演变得到的高效扩散结构。在2003年，一种大孔-介孔-微孔等级孔结构被首次合成得到。自此，等级孔被广泛引入到分子筛材料中，来提升物质的传输扩散以及催化效率。这些等级孔材料具备层次性、贯通性和规律性的特征，组成了多孔材料2.0。

在多孔材料发展的历史基础上，为了进一步理性设计多孔结构，作者深耕孔道结构的重要属性和设计理论，提出了“孔科学与工程”的概念，包括孔化学和孔结构：孔化学囊括了择形效应、交通控制效应、限域效应、分子识别效应等重要的科学理念；孔结构包含了孔道结构的设计理论，包括高效扩散结构中孔道之间定量关系（广义默里定律）和反应-孔道之间的定量关系（孔道尺寸、孔结构、笼域结构）。

多孔材料的发展历程及未来发展方向

作者呼吁研究者们共同助力多孔材料进入一个新的发展时代，在人工智能等的助力下，实现理论指导和分子层面的精准调控。多孔材料的开发将实现从“试错模式”到“按需设计”的转变，助力效率的提升和“碳中和”的实现。

来源: 《中国科学》杂志社