大连理工大学在人工光捕获材料开发领域获得重要进展

光合作用是地球碳氧循环必不可少的过程，对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是它们赖以生存的关键。以自然光捕获体系为灵感，科学家们设计了非常多的人工光捕获系统用于应对能源危机。一般来说，理想的光捕获体系应具有接近100%的能量转移效率以及高的天线效应（大于10）。目前以较低的成本实现接近理想的人工光捕获体系仍然是一个挑战，建立高效的光能传递体系通常需要复杂的分子设计和大量的分子合成工作。

近日，化工学院陶胜洋教授负责的数字化学研究团队将现代数字设计与制造方法与化学研究相结合，在人工光捕获材料开发领域取得重要进展。研究人员将计算流体力学（CFD）、基于相场的数字孪生模型、量子力学密度泛函计算结合，预测和解释了分子在不同空间尺度下的能量传递和聚集机制。研究者利用3D打印技术制造了CFD优化后的反应器模型，从而实现了连续流的纳米材料宏量合成。这类纳米材料将性质完全相反的聚集猝灭（ACQ）和聚集发光分子（AIE）结合在一起，形成ACQ@AIE型的发光纳米颗粒（CEAA染料）。两种染料在纳米颗粒内实现了智能可控的级联荧光共振能量转移（FRET）过程。最后，利用CEAA染料搭建了高效的光收集体系，实现了99.37%的能量转移效率以及26.23的天线效应。研究中使用的染料均为市售平价染料，无需额外的合成过程，具体包括四苯乙烯（TPE），香豆素6(C-6)，尼罗红(NiR)和LR305等。相关研究成果发表于国际著名期刊《自然·通讯》上，文章题目为“Coemissive luminescent nanoparticles combining aggregation-induced emission and quenching dyes prepared in continuous flow”。博士生李冲为论文第一作者，陶胜洋教授为唯一通讯作者。大连理工大学为唯一完成单位。

以上研究项目得到了国家自然科学基金、教育部智能材料化工前沿科学中心的经费支持。




陶胜洋教授团队致力交叉学科研究，将数字化研究工具与化学反应相结合，广泛使用计算流体力学、量子化学计算、机器学习、折纸几何学、3D CAD设计、3D打印、激光加工、自动控制等方法解决化合物在合成、传递、聚集和放大生产中的科学与技术问题，已在多相催化反应器设计、微流体与连续流反应器、高粘流体传递等方面进行了基础研究和工程技术应用。