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  納米限域化學(xué)反應(yīng)，是指限域在納米通道內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，通常比通道外部和體相中反應(yīng)具有更高的選擇性和反應(yīng)效率。納米限域化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展，其中一維納米限域化學(xué)反應(yīng)研究最為廣泛，包括碳納米管、金屬氧化物納米通道、介孔納米通道等材料。然而，納米限域作用增強(qiáng)反應(yīng)性能的本質(zhì)機(jī)理仍不明確，這成為納米限域化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域的一個(gè)亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。

  近日，中科院理化所江雷院士（通訊作者）和張錫奇副研究員（通訊作者）發(fā)表了題為1D Nanoconfined Ordered-Assembly Reaction的綜述文章。文章首先概述了一維納米限域化學(xué)反應(yīng)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括有機(jī)合成、聚合反應(yīng)，以及金屬表面的納米限域預(yù)組裝反應(yīng)。然后論述了生物納米通道和人工納米通道中物質(zhì)的超快輸運(yùn)現(xiàn)象，并介紹了“量子限域超流體”概念，將納米通道內(nèi)的物質(zhì)超快輸運(yùn)現(xiàn)象解釋為焓驅(qū)動(dòng)的限域有序流體。受生物DNA合成的程序化組裝反應(yīng)啟發(fā)，通過(guò)結(jié)合量子限域超流體概念和前線分子軌道理論，文章提出了“有序組裝反應(yīng)”的新概念，用于理解納米限域作用增強(qiáng)反應(yīng)性能的本質(zhì)機(jī)理。一方面，受納米限域作用的影響，反應(yīng)物分子將有序排列并且轉(zhuǎn)變分子構(gòu)型，以滿足前線軌道理論的對(duì)稱性匹配原則，降低反應(yīng)能壘，提高反應(yīng)活性和立體選擇性。另一方面，通道內(nèi)的反應(yīng)物分子流體將呈現(xiàn)出量子限域超流體特征的超快流動(dòng)，在保證高反應(yīng)效率的同時(shí)減少反應(yīng)物和催化劑的接觸時(shí)間，抑制副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)物的選擇性。此外，反應(yīng)物分子在催化劑表面的快速吸附-解吸附過(guò)程可降低催化劑失活或中毒的幾率，延長(zhǎng)催化劑壽命。因此，一維納米限域化學(xué)反應(yīng)的選擇性和反應(yīng)效率均能得到進(jìn)一步提升。最后，文章在展望中指出，“有序組裝反應(yīng)”概念的提出，將促進(jìn)界面催化化學(xué)理論的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高反應(yīng)效率、高產(chǎn)率和高選擇性的集成優(yōu)化，為化學(xué)、化工和合成生物學(xué)等領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展開(kāi)辟新的道路。

一維納米限域有序組裝反應(yīng)

  論文發(fā)表在Adv. Mater. Interfaces上（Adv. Mater. Interfaces. 2019, 6, 1900104），并被遴選為當(dāng)期封面文章，論文第一作者是理化所2017級(jí)直博生劉士杰。

  相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃的大力支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admi.201900104