科学家发现非平衡主动吸附模式，运用仿生手段逆浓差运输分子，为关键工业目标提供解决方案

在美国能源部确定的“科学与想象五大挑战”以及“发现科学五大变革机遇”中，“如何表征和控制远离平衡的物质”以及“如何掌握分层结构和非平衡物质”是亟待解决的核心问题。这些问题的答案将有望为碳捕获、水修复、催化和电化学等诸多能源相关领域提供全新的思路。

         

要解决这些问题，吸附是不可忽视的一个过程。在传统吸附系统中，吸附剂总是将吸附质从高浓度区域向低浓度区域转移，换句话说，就是将化学物质从溶液中提取到固体和表面上。作为固体材料与客体分子作用的一种基本表现形式，吸附是多种化学及生物分析和分离相关科学技术的基础，例如废物和污染物处理、贵金属回收、多相催化等。

         

综合生物物理，合成化学，以及材料科学的跨学科设计理念，美国西北大学前瞻学者、博士后研究员冯亮 设计了一系列人工分子机器，并将其定向定量地安置在纳米材料的表面，发现了一种全新的吸附模式，即主动吸附（机械吸附）。

         

这一吸附模式不同于自 1930 年代以来所关注的物理吸附和化学吸附，不仅能够控制表面和界面化学，还可以通过主动吸附在非平衡中存储能量以用于未来的能源技术。

         

凭借这一开创性的成果，冯亮成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新 35 人” 中国入选者之一。

图 | 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者冯亮

精巧设计金属有机框架，用人工分子泵实现机械吸附   

         

主动运输，在生物学中并不是一个陌生的术语。细胞膜上的离子通道往往需要通过主动运输的过程调控细 胞内外，Na⁺、 K ⁺  和 Ca ²⁺  等都不能自由地通过磷脂双分子层，需要载体蛋白的协助将它们从低浓度一侧运输到高浓度一侧，同时需要消耗能量。

         

2021 年，冯亮在 Science 上发表题为《泵盒驱动的主动（机械）吸附》（Active mechanisorption driven by pumping cassettes）[1]。其中提出的机械吸附的概念，与主动运输有异曲同工之妙。然而，要利用化学的手段实现这一过程是非常困难的。

         

图 | MPCG33+ 分子泵的分子结构（来源：Science）

         

冯亮开拓性地设计了一系列人工分子泵，然后将其定向定量地放置在金属有机框架材料的表面，该材料的优势在于具有可解构的组成部分，高稳定性，成分可控，以及可变的表面位点间距。

         

通过氧化还原过程产生的能量，表面固定的分子泵能够让分子环从溶液主体输运到界面，并以化学电容器的形式产生巨大的电位梯度，从而保持一种高度非平衡的介稳态，其中能量被储存在可转移的状态，并可以根据需要通过非破坏性化学过程释放到主体中。

图丨高容量 Zr-BTB-MPCG3 表面的有序和定量的机械吸附过程（来源：Science）

         

在过去的一百年里，研究人员只在平衡系统中对吸附进行了相关研究，重点是与物理吸附相关的范德瓦尔斯相互作用和化学吸附中的电子相互作用。而在这项研究中所展示的机械吸附，则是由非平衡泵在吸附剂和吸附物之间形成机械键的结果。

         

由点到面，机械吸附新概念将拓宽前沿研究的新思路   

         

在机械吸附模式中，这些具有前所未有的复杂性的动态架构提供了获得类生命材料的途径， 这些材料也为化学和能源研究的资源库增添了解决方案。

         

举一个简单的例子，自然界中的绿色植被，能够将大气中少量的二氧化碳捕获并聚集到叶绿体内进行光合作用。如果能够利用化学方法创制一个分子泵，将二氧化碳从低浓度区域转移到高浓度区域，且脱附过程不需要消耗能量，那么这将是应对温室气体的一个前所未有的技术方案。并且，机械吸附过程还有望用于室温下的氢气储存，以实现氢能的广泛利用。

         

值得一提的是，基于电化学方法对化学非平衡过程进行驱动的方式，开辟了直接使用太阳能来实现分离的可能性。最终， 这种方法能够实现对关键工业目标（如烃类、二氧化碳和微污染物）经济高效的捕获、修复和净化。 此外，这种新的非平衡机械吸附对碳捕获、药物输送和海水淡化等领域的未来应用具有广泛的意义。

         

图 | 生物启发的非平衡材料设计以应对能源、催化和医疗挑战（来源：冯亮）

         

虽然人类能够创造飞机，但创造与生命相关的精巧分子机器更具挑战性  

         

冯亮于 2020 年从美国德克萨斯 A&M 大学获得化学博士学位。在攻读博士期间，他在多孔材料的孔工程（Pore Engineering）, 多尺度组装，及其吸附分离催化应用做出了一系列开拓性成果。随后他加入美国西北大学从事非平衡能源材料相关的博士后研究，师从 2016 年诺贝尔化学奖得主弗雷泽·司徒塔特（Fraser Stoddart）教授。

冯亮发现了自 1930 年代以来首个全新的吸附模式，也是世界上首次实现人工主动吸附。这一发现重塑了科学家和工程师对传统吸附相关过程的理解，有望以新的非平衡吸附模式彻底解除传统吸附统治表面及界面领域百年之久的禁锢。冯亮的研究成果包揽无数大奖，包括《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人”、国际吸附学会青年研究员奖、材料研究学会博士后奖及研究生奖、前瞻研究院前瞻学者及纳米技术杰出博士奖、德克萨斯 A&M 大学杰出校友&杰出毕业生等。

此外，他作为美国能源部早期职业网络代表、化学文摘社未来领袖、美国化学会年轻化学家领导力发展奖获得者，积极领导及组织能源科学领域的职业发展及多样性活动。他在 Science，Nature Chemistry 等期刊发表论文 60 余篇，其中第一/通讯作者（含共同）论文 34 篇，受邀报告四十余次，包含林岛诺贝尔奖得主会议、世界顶尖科学家论坛、国际吸附会议、哈佛大学、杜克大学、加州大学伯克利分校、莱斯大学、芝加哥大学、密歇根大学、佛罗里达大学、普渡大学等，其研究成果获得了许多奖项的认可以及诸多媒体的报道，包括 C&EN，Phys.org，Chemistry  World  等。冯亮博士将于今年入职杜克大学机械工程与材料科学系和化学系， 任终身轨助理教授。

         

冯亮提到，他在本科研究期间的多元化培训为其成功完成博士学位奠定了坚实的基础。同时，他也指出，博士研究期间所训练的批判性思维是创新的很大源泉，只有对事物具有多维的理解，才能催生出可落地的创新思想。

         

对于 冯亮 ， 司徒塔特 教授这样评价：“在我 50 年的学术生涯中，我有幸认识了许多聪明和有才华的年轻研究人员。就冯亮博士的原创性、对目标的执着追求以及在研究和教学方面的非凡潜力而 言，他在这些处于类似职业阶段的人中位于前 1%。” 据悉，机械吸附，因其在物理化学基础现象 中 的突破性进展，近期被编入 “ 十二五 ” 普通高等教育本科国家级规划教材《物理化学（第七版）》。

图| 机械吸附被编入由科学出版社出版的最新版《物理化学》教科书（来源：蔡康）

关于未来，冯亮 表示：“我研究工作的长期目标是开发用于清洁能源相关应用的新型智能材料，例如碳捕获、储氢和水净化，并对这些多孔材料进行基础研究，确定决定因素的关键参数以及它们的特殊属性。这些研究对基础科学至关重要，对纳米技术的进步也意义重大。”

         

“虽然人类能够创造飞机，但创造生命甚至是简单的类生命版本更具挑战性。”他说。

         

接下来，冯亮在杜克大学的具体工作之一是将聚焦构建具有可识别和运输分子的仿生特征的人造材料， 该项目的成功将为清洁能源技术带来巨大的进步，因为这种具有如此新特性的材料将改变研究人员过去处理能源的方式。 另一方面，冯亮设想将连续的化学过程安排到多个隔间中，并生产结构复杂的产品。

         

他说：“我正在开发一种新型多孔材料，可以响应和合成复杂的分子以及材料。这项研究无疑将加深我们对数十亿年生命进化过程的理解，甚至加速人工设计比自然系统性能更好的材料和系统。”

         

参考：

1.Feng et al., Science 374, 1215–1221 (2021), DOI: 10.1126/science.abk1391.

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