分級多孔碳材料因其獨特的跨尺度孔隙網(wǎng)絡(luò)與高比表面積，在能源傳輸與儲能轉(zhuǎn)化中扮演著核心角色。然而，傳統(tǒng)開發(fā)高度依賴經(jīng)驗試錯法和均一化的宏觀標(biāo)量參數(shù)，將孔隙演化過程視作黑箱，缺乏從性能目標(biāo)出發(fā)的逆向精準(zhǔn)設(shè)計模型；同時，受限于現(xiàn)有三維表征技術(shù)在多尺度分辨率與高保真還原上的局限，經(jīng)典物理模擬多依賴?yán)硐牖暮唵螏缀误w，難以動態(tài)預(yù)測符合熱力學(xué)演化規(guī)律的真實三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，針對非達(dá)西傳質(zhì)動力學(xué)、滲流閾值及傳質(zhì)熱點在三維連續(xù)空間中的定量映射依然匱乏，阻礙了多孔碳材料從經(jīng)驗合成向智能按需定制的跨越。
 

　　該研究提出了一種耦合機(jī)器學(xué)習(xí)、高斯隨機(jī)場與相場動力學(xué)的多孔碳材料雙向映射設(shè)計框架。該框架針對傳統(tǒng)“試錯法”合成中孔隙演化黑箱化、難以按需逆向設(shè)計的問題，建立起從宏觀目標(biāo)性能(如比表面積、傳質(zhì)通量)到微觀三維拓?fù)湫螒B(tài)的數(shù)字化橋梁。在結(jié)構(gòu)重構(gòu)階段，結(jié)合隨機(jī)場與相場演化校準(zhǔn)，可實現(xiàn)微孔、介孔與宏孔交織的三維分級孔隙網(wǎng)絡(luò)的高保真重構(gòu)。在指導(dǎo)合成階段，通過反饋環(huán)路調(diào)整工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高傳質(zhì)效率多孔碳材料的精準(zhǔn)定型與逆向優(yōu)化。
 

　　為消除物理上不合理的拓?fù)淙毕?，作者在高斯隨機(jī)場中引入了Cahn-Hilliard相場動力學(xué)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(jié)果表明，相場調(diào)控起到了關(guān)鍵的“拓?fù)涑C正”作用，剝離了孤立像素并優(yōu)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?fù)溥B通性顯著提升，定量分析表明當(dāng)總孔隙率達(dá)到0.46時，材料即可突破滲流閾值，構(gòu)建出全局三維貫穿的孔隙連通網(wǎng)絡(luò)。
 

　　結(jié)合重構(gòu)的相場數(shù)字拓?fù)渑c粒子追蹤技術(shù)，作者深入探討了孔隙網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的非均勻流體傳輸機(jī)制。流場模擬顯示，多孔骨架中存在明顯的“傳質(zhì)熱點”，僅24%的核心連通路徑貢獻(xiàn)了全網(wǎng)80%的總流量。通過對不同通道尺寸下流體動力學(xué)特性的擬合，標(biāo)定出受限流體傳輸?shù)膭恿W(xué)縮放指數(shù)n=1.6357，證實了非達(dá)西傳輸效應(yīng)的主導(dǎo)地位。多尺度結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步表明，微孔雖貢獻(xiàn)了90%的比表面積，但其通量占比僅為1.2%，而介孔承擔(dān)了91%的傳輸通量，闡明了調(diào)控介孔結(jié)構(gòu)以破除微孔傳質(zhì)瓶頸的核心機(jī)理。
 

　　該研究構(gòu)建了耦合機(jī)器學(xué)習(xí)、高斯隨機(jī)場與相場動力學(xué)的雙向映射模型，成功實現(xiàn)多孔碳材料從宏觀性能到微觀三維拓?fù)涞哪嫦蚓珳?zhǔn)設(shè)計。相場演化顯著修復(fù)了孤立孔與死端孔等拓?fù)淙毕?，定量闡明了內(nèi)部非均勻傳質(zhì)機(jī)制，明確了介孔在破除微孔傳質(zhì)瓶頸、提升整體通量中的核心作用。本研究打破了傳統(tǒng)經(jīng)驗試錯的局限，為多孔碳材料的智能按需定制與高效傳質(zhì)優(yōu)化提供了可靠的理論指導(dǎo)與數(shù)字孿生框架。
 

　　引用：程星星教授團(tuán)隊在Advanced Materials上發(fā)表多孔碳三維孔隙結(jié)構(gòu)預(yù)測最新研究成果-山東大學(xué)【引用時間：2026年8月7日】