光合作用是地球碳氧循環(huán)必不可少的過程，對(duì)于生物界的幾乎所有生物來說，這個(gè)過程是它們賴以生存的關(guān)鍵。以自然光捕獲體系為靈感，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了非常多的人工光捕獲系統(tǒng)用于應(yīng)對(duì)能源危機(jī)。一般來說，理想的光捕獲體系應(yīng)具有接近100%的能量轉(zhuǎn)移效率以及高的天線效應(yīng)（大于10）。目前以較低的成本實(shí)現(xiàn)接近理想的人工光捕獲體系仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，建立高效的光能傳遞體系通常需要復(fù)雜的分子設(shè)計(jì)和大量的分子合成工作。近日，大連理工大學(xué)化工學(xué)院陶勝洋教授負(fù)責(zé)的數(shù)字化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計(jì)與制造方法與化學(xué)研究相結(jié)合，在人工光捕獲材料開發(fā)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究人員將計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、基于相場(chǎng)的數(shù)字孿生模型、量子力學(xué)密度泛函計(jì)算結(jié)合，預(yù)測(cè)和解釋了分子在不同空間尺度下的能量傳遞和聚集機(jī)制。研究者利用3D打印技術(shù)制造了CFD優(yōu)化后的反應(yīng)器模型，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)流的納米材料宏量合成。這類納米材料將性質(zhì)完全相反的聚集猝滅（ACQ）和聚集發(fā)光分子（AIE）結(jié)合在一起，形成ACQ@AIE型的發(fā)光納米顆粒（CEAA染料）。兩種染料在納米顆粒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了智能可控的級(jí)聯(lián)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）過程。最后，利用CEAA染料搭建了高效的光收集體系，實(shí)現(xiàn)了99.37%的能量轉(zhuǎn)移效率以及26.23的天線效應(yīng)。研究中使用的染料均為市售平價(jià)染料，無需額外的合成過程，具體包括四苯乙烯（TPE），香豆素6(C-6)，尼羅紅(NiR)和LR305等。相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊《自然·通訊》上，文章題目為“Coemissive luminescent nanoparticles combining aggregation-induced emission and quenching dyes prepared in continuous flow”。博士生李沖為論文第一作者，陶勝洋教授為唯一通訊作者。大連理工大學(xué)為唯一完成單位。
圖2 相場(chǎng)模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證CEAA的制備機(jī)制
圖3 可控的級(jí)聯(lián)FRET過程用于高效光能傳遞以上研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部智能材料化工前沿科學(xué)中心的經(jīng)費(fèi)支持。陶勝洋教授團(tuán)隊(duì)致力交叉學(xué)科研究，將數(shù)字化研究工具與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，廣泛使用計(jì)算流體力學(xué)、量子化學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、折紙幾何學(xué)、3D CAD設(shè)計(jì)、3D打印、激光加工、自動(dòng)控制等方法解決化合物在合成、傳遞、聚集和放大生產(chǎn)中的科學(xué)與技術(shù)問題，已在多相催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、微流體與連續(xù)流反應(yīng)器、高粘流體傳遞等方面進(jìn)行了基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)應(yīng)用。參考資料：http://chemeng.dlut.edu.cn/info/1039/11798.htm
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