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从社交网络获取灵感,用小世界网络模型分析分子筛传递性质

分子筛是一类具有有序多孔结构的材料,其在催化、吸附等工业过程中有大量应用。但是,针对其有序结构的建模一直是学术界的难点。清华大学魏飞教授(点击查看介绍)团队在其前期工作(点击阅读详细)的基础上,从社交网络结构中获取灵感,运用图论对分子筛有序结构进行建模,阐释其缺陷与扩散性质的关联


在复杂网络理论中,小世界网络是一类节点数很多、但单个节点的邻居很少的网络。社交网络就是一类典型的小世界网络,北京人口超过千万,但是每个人认识的人却只有几百人甚至几十人。这一点和分子筛晶体类似。分子筛晶体的有序结构和连通关系可以用网络描述,一个100 nm左右的分子筛晶体包含百万数量级的笼,但是每个笼只与有限的几个其他笼相连。


对于完美的小世界网络而言,由于大量存在的短程连接,其传递效率并不高,而真正提升小世界网络传递效率的是其中的长程连接,只需要在网络中随机加入少量的长程连接,就能极大地提升网络的传递效率。例如传播学中经典的“六度分割”实验:将一封信从美国西部寄到美国东部指定的目标,平均只需要经过6个人。

小世界实验。图片来源:Wikipedia [1]


将分子筛的点缺陷和线缺陷与网络研究中的长程连接类比,通过构建分子筛网模型,模拟出了不同点缺陷密度、不同线缺陷长度和密度以及点缺陷分布对于分子筛扩散性能的影响。


模型结果表明,在分子筛中添加6%的缺陷就能产生很好的扩散距离减少的效应,相当于30%的分子筛晶体体积减少。也就是说,缺陷及空位这类可以增加长程连接的节点,在催化剂活性位较多、大量短程连接时,是更有效的传递促进剂,帮助分子传递。他们的研究还发现,相同数量的缺陷,分布在分子筛内部比外部能够更好地起到减少扩散距离的作用。


这项工作利用节点与离散的小世界网络方法,进一步完善了分子筛结构理论,面向未来,运用图论框架分析分子筛结构,并与分子筛结构调变手段的结合,将能够促进分子筛结构研究的发展。该工作是第一作者博士生蔡达理等完成的。


该论文作者为:Dali Cai, Yilin Hou, Chenxi Zhang, Ning Wang, Zhaohui Chen, Wenlong Song, Zhao Jia, Yao Wang, Weizhong Qian, Fei Wei

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Analyzing transfer properties of zeolites using small-world networks

Nanoscale, 2018, DOI: 10.1039/c8nr04652b


导师介绍

魏飞

http://www.x-mol.com/university/faculty/21061


参考资料:

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Small-world_experiment


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