刘志强、郑安民团队致力于深入探究多孔材料(特别是沸石分子筛)内的主客体相互作用机制，核心聚焦于材料的吸附与扩散性能。理解这些微观层面的相互作用对于预测和优化材料在关键领域(如气体分离与储存、催化、离子交换)的宏观性能至关重要。为了全方位、深入地探究多孔材料的奥秘，团队采用了多尺度、多方法融合的研究策略。
在最为微观层面，即埃级空间、皮秒到纳秒时间尺度下，密度泛函理论似“电子地图绘制师”，用电子密度描述物质多电子体系性质；从头算分子动力学模拟如“实时直播”，基于量子力学呈现原子分子动态变化，助我们洞察物质本质。随着研究尺度扩大，进入纳米到微米空间、纳秒到微秒时间尺度上，经典分子模拟是“虚拟实验室”，可模拟大量分子行为与相互作用，用于研究分子扩散、聚集等过程，为多领域提供信息。当研究转向宏观领域，在毫米到米空间、秒到年时间尺度中，扩散实验像“物质扩散竞赛”，通过观察物质扩散现象了解其传输特性，如对化学反应和材料性能的影响。在整个研究过程中，机器学习贯穿于各个尺度和研究方法之中。它能够从海量的数据中挖掘出隐藏的规律和信息，辅助计算和分析过程，帮助研究团队更加高效、准确地理解多孔材料的特性，从而全面且深入地认识多孔材料内的主客体相互作用机制，为多孔材料在关键领域的性能优化和应用拓展提供坚实的理论支撑。
近期成果介绍
2025年3月份，教授刘志强、郑安民团队与中科院大连化物所、福州大学合作，在《Nature Communications》和《Journal of the American Chemical Society》上分别发表了题为"Asymmetric rotations slow down diffusion under confinement"和"Molecular self-gating inside a zeolite catalyst"的重要研究成果。这些研究深入探讨了分子在限域空间中的扩散行为，揭示了非对称旋转对扩散的抑制作用以及分子自门控效应对扩散的调控机制，为多孔材料分离领域提供了重要的理论指导。在《Nature Communications》的论文中，研究团队发现分子筛限域空间存在弱相互作用的小分子运动慢的反常扩散现象。
通过结合自主开发的随机行走聚类算法与自由能计算，研究首次揭示了分子在限域空间中的非对称相互作用会诱导产生非对称旋转，而这种旋转行为会显著增加扩散过程中的局部停留时间，从而抑制分子的平动扩散。这一发现为多孔材料分离领域提供了重要的理论指导。
在《Journal of the American Chemical Society》的论文中，研究团队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。
通过开发三维自由能模型并建立扩散轨迹随机行走聚类算法，研究团队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。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，即通过“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)。这两项研究均得到了国家自然基金委、科技部和湖北省科技厅等项目的支持，充分彰显了我校在人才引进和培养方面取得的显著成效。这些研究成果不仅丰富了现有的扩散行为理论体系，还将在选择性吸附与分离、高压传感与存储等领域展现出广阔的应用前景。
人物介绍
刘志强
教授,博士生导师
武汉科技大学，化学与化工学院
核磁共振与分子科学交叉研究院(NMR-X)
研究领域：多孔材料吸附分离、多相催化的多尺度理论模拟。
主要聚焦于多孔材料吸附扩散性能研究，结合密度泛函理论、从头算分子动力学模拟、分子模拟、机器学习等理论方法和扩散实验探索多孔材料(沸石分子筛)内的主客体相互作用，已在Science，Science Advances，PNAS，Nature Communications等期刊发表SCI论文60余篇。获得湖北省杰出青年基金，湖北省化学化工先进青年工作者，湖北省“青年拔尖人才”称号、武汉科技大学“香涛青年百人”，入选Green Carbon杂志青年编委，主持国家自然科学基金面上和青年项目、博士后特别资助、博士后面上等项目。
具体研究方向如下：
（1）基于多尺度理论模拟研究沸石分子筛扩散性能；
（2）基于机器学习研究多孔材料吸附和分离性能；
（3）基于多尺度理论模拟研究分子筛催化性能；
（4）基于扩散实验研究多孔材料吸附和分离性能。
