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山東大學程星星教授團隊在Advanced Materials上發表多孔碳三維孔隙結構預測最新研究成果

研發快訊 2026年08月07日 09:20:24來源：山東大學 3475

摘要近日，核科學與能源動力學院程星星教授團隊的博士生王闖以第一作者身份在國際權威期刊Advanced Materials(IF=29.1)發表了研究性論文。山東大學為該論文的第一完成單位和通訊作者單位，程星星教授為唯一通訊作者。

　　【儀表網研發快訊】近日，核科學與能源動力學院程星星教授團隊的博士生王闖以第一作者身份在國際權威期刊Advanced Materials(IF=29.1)發表了題為“Physics-Driven 3D Structural Prediction and Transport Kinetics of Porous Carbons via Random Field and Phase-Field Evolution”的研究性論文。山東大學為該論文的第一完成單位和通訊作者單位，程星星教授為唯一通訊作者。

　　分級多孔碳材料因其獨特的跨尺度孔隙網絡與高比表面積，在能源傳輸與儲能轉化中扮演著核心角色。然而，傳統開發高度依賴經驗試錯法和均一化的宏觀標量參數，將孔隙演化過程視作黑箱，缺乏從性能目標出發的逆向精準設計模型；同時，受限于現有三維表征技術在多尺度分辨率與高保真還原上的局限，經典物理模擬多依賴理想化的簡單幾何體，難以動態預測符合熱力學演化規律的真實三維拓撲結構。此外，針對非達西傳質動力學、滲流閾值及傳質熱點在三維連續空間中的定量映射依然匱乏，阻礙了多孔碳材料從經驗合成向智能按需定制的跨越。

　　該研究提出了一種耦合機器學習、高斯隨機場與相場動力學的多孔碳材料雙向映射設計框架。該框架針對傳統“試錯法”合成中孔隙演化黑箱化、難以按需逆向設計的問題，建立起從宏觀目標性能(如比表面積、傳質通量)到微觀三維拓撲形態的數字化橋梁。在結構重構階段，結合隨機場與相場演化校準，可實現微孔、介孔與宏孔交織的三維分級孔隙網絡的高保真重構。在指導合成階段，通過反饋環路調整工藝參數，能夠實現高傳質效率多孔碳材料的精準定型與逆向優化。

　　為消除物理上不合理的拓撲缺陷，作者在高斯隨機場中引入了Cahn-Hilliard相場動力學方程，利用界面自由能最小化模擬碳化過程中的相分離與骨架重排。演化結果表明，相場調控起到了關鍵的“拓撲矯正”作用，剝離了孤立像素并優化了孔壁光滑度，使死端孔與孤立孔等缺陷大幅減少。隨著演化時間的推移，拓撲連通性顯著提升，定量分析表明當總孔隙率達到0.46時，材料即可突破滲流閾值，構建出全局三維貫穿的孔隙連通網絡。

　　結合重構的相場數字拓撲與粒子追蹤技術，作者深入探討了孔隙網絡內部的非均勻流體傳輸機制。流場模擬顯示，多孔骨架中存在明顯的“傳質熱點”，僅24%的核心連通路徑貢獻了全網80%的總流量。通過對不同通道尺寸下流體動力學特性的擬合，標定出受限流體傳輸的動力學縮放指數n=1.6357，證實了非達西傳輸效應的主導地位。多尺度結構分析進一步表明，微孔雖貢獻了90%的比表面積，但其通量占比僅為1.2%，而介孔承擔了91%的傳輸通量，闡明了調控介孔結構以破除微孔傳質瓶頸的核心機理。

　　該研究構建了耦合機器學習、高斯隨機場與相場動力學的雙向映射模型，成功實現多孔碳材料從宏觀性能到微觀三維拓撲的逆向精準設計。相場演化顯著修復了孤立孔與死端孔等拓撲缺陷，定量闡明了內部非均勻傳質機制，明確了介孔在破除微孔傳質瓶頸、提升整體通量中的核心作用。本研究打破了傳統經驗試錯的局限，為多孔碳材料的智能按需定制與高效傳質優化提供了可靠的理論指導與數字孿生框架。

　　引用：程星星教授團隊在Advanced Materials上發表多孔碳三維孔隙結構預測最新研究成果-山東大學【引用時間：2026年8月7日】

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