沒有批判的科研氛圍，就沒有孕育健全學術的土壤，納米人原道專欄的初衷是讓論文回歸科研的本質，帶著論點是否清晰論據是否可靠的有色眼鏡去審閱論文，學習論文。終于，納米人原道專欄又和大家見面了。（原道專欄前八期，請查看文末鏈接）
氘，對于化學家，尤其是有機化學家來說并不陌生，氘代試劑是實驗室必備之物。實際上，氘還被用于作核反應堆的中子慢化劑，非放射性同位素示蹤劑以及中子散射實驗中。目前，各國大力開發的清潔新能源技術——可控核聚變，其主要燃料也是氘。除此之外，氘代藥物由于具有更長的藥物半衰期，同時又能保持原有的藥理活性，因而所需治療劑量更低，正成為藥物研發的熱點。上述這些領域均需要極高純度的氘。然而，氘在自然界中的豐度僅有0.0156 mol%，目前氘氣的來源主要是通過電解氘水，然后借助Girdler-sulfide過程或者低溫蒸餾的過程獲得。由于這兩種純化工藝能耗高，效率低，導致高純度的氘價格十分昂貴。通常而言，微孔材料是分離氣體的有效方法，但用于分離氫氣和氘氣卻困難重重：氫氣和氘氣的動力學直徑非常小（約為2埃），且在常規條件下尺寸及外形完全一致；一方面超細孔徑的多孔材料不易制備，即使制備出在常規的條件下也無法將兩者有效分離，因此氫的同位素的分離也被稱為“氣體分離領域中的珠穆朗瑪峰”。1995年Beenakker等人提出了動力學量子篩分（KQS，Kinetic quantum sieving）同位素氣體的概念，理論計算認為當氣體分子尺寸與吸附劑入口孔徑的差異與氣體分子的德布羅意波長相當時，就會對該氣體較輕的同位素產生更高的擴散屏障（量子效應）(Chem. Phys. Lett. 1995, 232, 379–382)。符合這類條件的微孔材料理論上可以對氘氣進行選擇性吸附并富集純化，對于氫氘分離而言，需要精準調控的超細孔徑（ultrafine pore，<3?）。具有規整的超細孔徑的多孔材料不易獲得，目前僅有為數不多的具有超細孔徑的多孔材料（Takeda-3A CMS, Zeolite 3A, ZIF7/8, MFU-4）被用于氫氘分離的嘗試。但這類超細孔徑的材料在實際應用時又有一個極大的弊端：超細孔徑就意味著這類材料對氣體的吸附量非常有限。也就是說對于氫氘分離的材料，選擇性與吸附量往往是一個此消彼長的關系，而在實際應用中需要選擇性高而且吸附量也大的材料。自2009年利物浦大學AndyCooper院士報道有機分子籠（POCs, porous organic cages）以來，作為一類具有永久空腔的三維有機分子，POCs不僅在分子識別、分子反應器等方面有廣闊的應用前景，而且能通過自組裝形成多孔材料，在氣體吸附、分離等領域展現了巨大應用潛力。近年來，POCs已然發展成為一種普適性的功能材料平臺，成為多孔材料科學的研究熱點之一。然而，有機分子籠一般通過動態共價化學，如亞胺反應構建，因而酸堿穩定性差；而如將亞胺鍵轉化為化學穩定的胺，分子籠則會失去剛性而造成結構坍塌，失去多孔性能。因此，獲得化學穩定且結構剛性的有機分子籠成為拓展其應用領域的首要問題。科學的神奇之處在于，有時意外的結果能導致重要發現。一次偶然的機會，在使用丙酮溶解還原胺的分子籠時，Andy Cooper組的劉明博士意外發現，溶液中很快會有無色透明的晶體沿瓶壁生長，而這種晶體生長的速度明顯有別于常規的單晶培養生長方式。進一步研究發現，原來是丙酮分子上的羰基與還原胺分子籠中相鄰的二胺發生了反應，形成了剛性的五元環，像蝴蝶結一樣把分子籠的兩條邊緊緊拉在一起（圖1）；這些分子籠變得剛性后更易堆積，更易以單晶的形式沉淀出來。圖1. “分子打結”合成策略恢復分子籠結構剛性并提高酸堿穩定性進一步研究表明，這一方法具有普適性，含有羰基的酮類或醛類小分子都能對胺類的分子籠進行“分子打結”，形成了剛性的多孔結構。“分子打結”不但增強了分子籠的結構穩定性，而且也提高了其化學穩定性，如某些“打結后”后的分子籠甚至能在強酸（pH=1.7）和強堿(pH =12.3)條件下保持穩定。“分子打結”的合成策略為這類材料的實際應用拓寬了道路，相關工作發表于J. Am. Chem.Soc., 2014, 136, 7583–7586。目前，“分子打結”策略已成為提高有機分子籠化學穩定性的常規方法之一。在“分子打結”的工作基礎上，利用酮類及醛類小分子形成的“打結”產物在化學穩定性上的差別，劉明博士發展了一種“保護與去保護”的后修飾策略，合成了單官能團化的胺基分子籠5FT-RCC3。通過將5FT-RCC3進一步與不同的羰基化合物反應引入不同大小的官能團，從而對分子籠的空腔尺寸進行了原子級尺度的精確調控（圖2A）。利用這一方法，作者獲得了一系列具有相同結構但孔徑逐步變化的分子籠（1.95到3.5埃）。晶體衍射（單晶及粉末）和氣體吸附實驗結果均證實了這一策略的成功。相較而言，在MOFs或者COFs材料中，對孔徑進行同一性結構的逐步調節往往是通過增減苯環的數目，這種方法的調控精度（2.6埃，一個苯環的大小）要粗放得多。（A）“保護和脫保護”策略精確調控分子籠孔徑（B）具有同一性結構但孔徑逐步變化的系列分子籠（1.95到3.5埃） (C)超細孔分子籠對氫氘的選擇性吸附效果獲得了一系列不同孔徑的分子籠，作者能夠根據分離需要選用合適尺寸的分子籠進行應用嘗試。對于氫氘分離，與預想相符，窗口尺寸在1.95埃（接近氫的動力學直徑大小）的超細孔分子籠能對氫氣和氘氣進行高效量子分離。作者團隊通過與馬普所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）Michael Hirscher團隊合作利用超低溫熱脫附實驗（Cryogenicthermal desorption spectroscopy, TDS）對這一系列分子籠的氫氘選擇性進行了實驗表征。實驗結果表明具有超細孔的分子籠6ET-RCC3對氫氘分離表現出了最高選擇性（約為3.9，圖2B）。這一數值遠遠高于了目前商用的低溫蒸餾工藝 （1.5）及Girdler-sulfide工藝（2.3）的分離選擇性。 如前文所述，對于氫氘分離的材料，選擇性與吸附量往往是此消彼長的關系。超細孔分子籠6ET-RCC3對氘氣有非常好的選擇性，但吸附量僅為0.8 mmol/g，遠遠達不到實際應用的標準。難道魚和熊掌注定不能兼得？聯想到分子籠作為一種離散的多孔結構，具有手性識別形成共晶的特性，作者提出了“合作共贏”的策略，即選取兩種不同的的分子籠形成共晶材料，一方面選取小孔分子籠（6ET-RCC3, R手性）提供良好的選擇性，另一方面利用大孔分子籠（CC3-S手性）提供高的吸附容量（圖3）。出人意料的是，這一策略成功實現了“1+1>2”的效果。共晶材料的分離比達到了8左右，吸附容量也提升到4.7 mmol/g。同分子篩，COFs，MOFs等材料相比，同時具備如此高的選擇性和吸附能力的材料尚屬首例。圖3. 共晶材料的組成（左圖） 以及共晶材料與同類材料的吸附效果對比（右圖）
最后，作者團隊通過一系列計算模擬的方法（grand canonical Monte Carlo，GCMC以及path integral molecular dynamics, PIMD）對這種分子籠材料對氫氘量子分離的實驗結果進行了驗證，并對分離的機制做了理論解釋。蒙特卡洛計算證實了氣體在小孔分子籠6ET-RCC3中擴散需克服的能量壁壘要遠遠高于其在大孔CC3分子籠中的能量壁壘；正因如此，氫氣和氘氣才有可能因量子效應產生的擴散速度不同被分離，而不會像在CC3中均非常迅速地通過。理論模擬也解釋了大小孔交替的多晶結構對氫氘的選擇性大大超過了小孔分子籠分離的原因：當氫氘混合氣體通過小孔分子籠6ET-RCC3時，氘氣分子只能單個的通過；而在共晶結構中，大小孔交替的結構起到了多次篩分的效果，因而材料能吸附更多的氘氣分子（圖4）。計算部分的工作由利物浦大學材料創新工場及Leverhulme 研究中心的陳林江博士負責，并得到了西安交通利物浦大學丁理峰團隊及EPFL的Michele Ceriotti團隊的協助。這一研究成果發表于最新一期Science上，利物浦大學劉明博士為第一作者，馬普所Michael Hirscher博士和利物浦大學Andy Cooper教授為文章的共同通訊作者。這種“分子結”的策略不僅推動了分子籠領域的發展，更有意義的是它所表現出的對于氣態甲醛分子的超高的反應活性，因而被應用于空氣中甲醛的凈化。令人欣喜的是，這種材料所表現出的凈化效果也相當驚人，其最大吸附量比常規活性炭高出500倍。該項目因此獲得了英國皇家化學會創新技術（RSC EmergingTechnologies Competition）一等獎。基于此項技術，2019年劉明博士與Andy Cooper 院士共同創立了CageCapture公司，公司將專注于分子籠材料在空氣污染治理，精細分離領域的產業轉化。近期，CageCapture獲得“創新英國” (Innovate UK)政府扶持基金（￡300,000.00）的支持。可以預見在不遠的將來，這類神奇的小分子就會走進千家萬戶為提高室內空氣質量貢獻力量。
（1）發展了一種精確調控超微孔材料孔徑大小的策略；（2）提出了通過共晶方法解決選擇性和儲存能力之間矛盾的新思路；（3）推動了分子籠材料在高附加值氫氘分離方面的應用；（4）長期以來，多孔分子籠領域都在設法提高分子籠的比表面積，設計并合成大尺寸的分子籠；而本文提供了一個新的思路，將小做到了極致，很好地印證了費曼那句著名的論斷：“底部還有很大的空間”。Ming Liu et al. Barely porous organiccages for hydrogen isotope separation. Science 2019, 366, 613-620.https://science.sciencemag.org/content/366/6465/613.editor-summary
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