科學(xué)家指出：“理論與實(shí)驗(yàn)不匹配不是失敗，而是機(jī)遇?！?/p>

別再以為失誤就是失敗。有時(shí)，科學(xué)上的“意外發(fā)現(xiàn)”恰恰是推動(dòng)進(jìn)步的關(guān)鍵。一項(xiàng)關(guān)于碳捕獲材料的新研究帶來了深刻啟示：計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果之間的意外偏差，反而催生了一項(xiàng)可能重塑氣候變化應(yīng)對(duì)格局的突破性發(fā)現(xiàn)。

一切始于一個(gè)科學(xué)謎題。以計(jì)算建模聞名的芝加哥大學(xué)勞拉·加利亞爾迪教授團(tuán)隊(duì)通過模擬預(yù)測(cè)了一種結(jié)果，而加州大學(xué)伯克利分校諾貝爾獎(jiǎng)得主奧馬爾·亞吉教授的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)卻得到了不同結(jié)論。在嘗試直接從空氣中捕獲二氧化碳時(shí)，名為“共價(jià)有機(jī)框架”（COF）的材料并未表現(xiàn)出預(yù)期性能。

該研究第一作者希拉勒·達(dá)拉爾在12月22日的新聞稿中表示：“模擬與實(shí)驗(yàn)之間的不匹配并非失敗，而是機(jī)遇?！?/p>

水分子之謎

在二氧化碳排放持續(xù)增加的背景下，碳捕獲材料已成為從大氣中清除過量溫室氣體的關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)狀框架材料是一種帶有微小孔洞的類海綿晶體，這些孔洞能像陷阱般捕獲大氣中的二氧化碳。

由于這類材料具有可定制的大比表面積，研究人員正將其用作捕獲和儲(chǔ)存二氧化碳、甲烷等溫室氣體的“分子海綿”。在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)模擬了一種前景廣闊的碳捕獲材料（COF-999-NH2），但模擬結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)始終不符。

研究團(tuán)隊(duì)沒有忽視這個(gè)誤差，而是深入探究并發(fā)現(xiàn)了隱藏的殘留水分子。即使實(shí)驗(yàn)人員認(rèn)為COF材料已完全干燥，其微孔中仍殘留著微量水。這些殘留水會(huì)主動(dòng)占據(jù)預(yù)設(shè)的碳捕獲位點(diǎn)，導(dǎo)致材料效率降低。

加利亞爾迪解釋說：“在實(shí)驗(yàn)與理論的反復(fù)印證中，我們開始推測(cè)合成材料中存在殘留水分子——由于實(shí)驗(yàn)人員認(rèn)為材料已完全脫水，我們最初并未在模型中納入這個(gè)因素?！?/p>

COF材料的疏水性解決方案

這一發(fā)現(xiàn)催生了一條精巧且可實(shí)施的設(shè)計(jì)原則：在COF形成過程中控制孔隙疏水性。研究團(tuán)隊(duì)通過讓孔洞具備防水特性，確保材料能發(fā)揮最佳性能。達(dá)拉爾指出：“這能防止吸附位點(diǎn)阻塞和不良副反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的碳捕獲。”

研究還表明，結(jié)構(gòu)不規(guī)則性（如彎曲和晶格收縮）是材料固有特征而非制造缺陷。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了計(jì)算建模的關(guān)鍵作用——當(dāng)實(shí)驗(yàn)與理論初始不匹配時(shí)，計(jì)算模型能幫助科學(xué)家模擬超越人類“化學(xué)直覺”的情景，揭示隱藏的物理真相。

僅靠可再生能源并不足以應(yīng)對(duì)氣候變化，全球?qū)＜覐?qiáng)調(diào)必須同時(shí)部署主動(dòng)捕獲系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)。通過排除水分子對(duì)捕獲過程的干擾，科學(xué)家能創(chuàng)造出更高效、更持久的材料來應(yīng)對(duì)空氣污染和氣候變化。

這項(xiàng)研究最終可能催生新一代材料結(jié)構(gòu)，將“凈化天空污染物”的緊迫目標(biāo)轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行、可規(guī)?；茝V的解決方案。

相關(guān)研究成果已于12月21日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。

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