晶泰科技AI赋能孔道独立调控，突破性合作成果亮相《Nature》子刊

导语

随着全球能源转型与碳中和战略的推进，以固态电池、高效催化、半导体材料、高端分离纯化为代表的新材料市场正迎来数千亿美元的爆发式增长。在这些前沿领域，多孔材料的“孔道独立调控”一直是全球科学界长期悬而未决的底层难题——传统双孔材料一旦调整孔径，多个孔道就会 “按下葫芦浮起瓢” 般联动变化，极大限制了工业级材料的精准设计。近日，由中国科学院上海高等研究院牵头，晶泰科技（2228.HK）与香港城市大学等团队联合攻关，提出了 “选择性孔径调控” 新策略，构筑了双壁氢键有机框架（DW-HOFs）材料，相关成果已于《Nature Synthesis》发表。以此项顶级科研成果为缩影，依托在固态物理与高通量表征领域的深厚积累，晶泰科技正持续拓宽科学智能（AI4S）在新材料研发领域的应用边界。

此次科研突破所采取的新策略技术难度极高，而晶泰科技的前沿固态表征技术则为其构筑了不可或缺的物理验证壁垒。DW-HOFs 晶体仅约 20 微米，不足头发丝直径的三分之一；不同变体形态各异，传统单晶 X 射线衍射难以奏效——在如此微小的颗粒中寻找可解析的晶体，无异于大海捞针，研发受困于“算得出理论，却看不见实体”的盲区。

晶泰科技固态研究团队凭借冷冻电镜微晶电子衍射（MicroED）技术，用高能电子束直接解析亚微米级颗粒结构，从大量弱衍射晶粒中成功捕获并破解了 DW-HOFs 的真实三维结构。此次《Nature Synthesis》的发表，标志着晶泰科技冷冻电镜微晶电子衍射（MicroED） 技术的应用边界已从新药研发等优势领域成功拓展至 MOFs、COFs、HOFs 等前沿功能多孔材料领域，为全球精准网格化学与实体工业应用提供了不可替代的“数字算法与物理实验”双重基础设施。

此项技术成果市场潜力广阔。DW-HOFs 的 “孔径独立调控” 为多孔晶体在离子传导、分离、储能及催化等关键领域的精准设计提供了新范式——电池、净水、化工反应器等下游应用都将受益。研究还首次捕获了 DW-HOFs 由亚稳态演化至稳定结构的全过程，该成果已获得了上海市浦江人才计划、国家自然科学基金等多方资助与国家科研体系的认可，对推动我国精准网格化学与功能多孔材料发展具有重要意义。

目前，公司的微观结构解析与 AI 前沿材料设计能力已成功转化为切实的产业价值，广泛落地于固态电池电解质、高效催化剂，以及先进碳材料等高价值研发场景。未来，这套打通“理论预测-微观解析-实验验证”的全链路底层基建，还将顺应功能多孔晶体与先进碳基材料的技术演进趋势，有望自然延伸至半导体先进封装、光电传感等高精尖制造领域，全面驱动前沿新材料的源头创新与规模化转化。

注：本工作的共同第一作者包括晶泰科技固态研究团队刘翔博士，共同通讯作者涵盖中科院上海高研院、香港城市大学等多位专家；晶泰科技首席科学官张佩宇博士团队亦提供了关键的结构解析支持。该研究得到上海市浦江人才计划、上海市科委、国家自然科学基金、香港研究资助局等多项经费资助。

孔道决定着多孔材料的性能。如何让多孔材料的孔道实现独立调控，是全球材料科学界长期存在的难题。

如今，这一困境迎来转机。由中国科学院上海高等研究院高强副研究员/魏伟研究员团队牵头，晶泰科技固态研究团队与香港城市大学李兴助理教授、黄勃龙教授等合作方强强联合，在《Nature Synthesis》上发表了题为 “Selective Pore Modulation in Layered Molecular Crystals” 的重磅研究成果。研究团队首创 “选择性孔径调控” 策略，成功构筑了一类双壁氢键有机框架（DW-HOFs）材料，首次通过计算加实验相结合的方式，揭示双壁 HOFs 材料的形成机制，为多孔晶体的精准设计提供了新的研究范式。

图1. 文章刊登于Nature Synthesis（点击文末“阅读原文”查看）

"针尖上的晶体"：结构解析的现实难题

DW-HOFs 材料虽然设计巧妙，但摆在研究团队面前的，是一个极具挑战性的现实问题：这种材料晶体尺寸较小（约为 20μm 的长棒状形貌），且本研究中通过调控不同前驱体合成了多种变体（如 DW-HOF-1a、DW-HOF-2 等），每种变体都需要独立的精确结构确认。

在如此细小、又不够 “规整” 的颗粒中，找到一颗真正适合结构解析的晶体颗粒，本身就如同大海捞针；而传统单晶 X 射线衍射技术对晶体尺寸和质量的要求极高，难以有效应用于 DW-HOFs 体系。这意味着，即便理论模型已经给出预测，研究团队也迟迟无法拿到直接的结构证据来验证材料内部分子的真实排布方式。

打破物理极限： MicroED 构筑新材料研发的“终极验证层”

在这一关键节点，晶泰科技固态研究团队的冷冻电镜微晶电子衍射（MicroED）技术发挥了不可替代的作用。

与传统单晶衍射不同，MicroED 采用高能电子束，可以直接对亚微米级的材料颗粒进行晶体结构解析，无需对晶体进行额外的尺寸筛选或生长优化。这样一来，非常少量的微小尺度（~1 um）的结晶度较高的晶粒就足以产生高分辨率的电子衍射图案供晶体结构解析，使其可以直接应用于各种具有稳定晶体结构的粉末样品，包括有机小分子、盐、水合物、共晶等晶体结构相对简单的体系，以及金属-有机框架材料（MOFs）、共价有机框架材料（COFs）、多肽，甚至蛋白质等复杂晶体体系，同时也包括本文中研究的氢键有机框架（HOFs）。

MicroED 研究团队利用该技术，结合其在小分子晶体固态研究方面的经验与知识，在大量弱衍射的亚微米晶体颗粒中收集到了足够的衍射数据，对 DW-HOF-1a 和 DW-HOF-2 成功进行了晶体结构解析。团队所得结果与理论模拟预测的模型高度吻合，清晰地揭示了材料中共价骨架与氢键网络协同组装的分子排布方式。

这一结果不仅验证了共价-氢键协同组装模型的正确性，也为 DW-HOFs 后续的机理研究提供了坚实的三维结构基础，再次印证了晶泰科技的 MicroED 技术应用，已从其优势的小分子药物固态研发领域，拓展至 MOFs、COFs、HOFs 等前沿功能材料的结构解析领域。

图2. DW-HOFs材料的晶体照片及冷冻电镜结构表征

为了深入研究该类材料共价-氢键协同组装的机理，研究工作创新性地通过引入搅拌的方式，干扰晶体的生长过程，从而开辟出 DW-HOFs 晶体组装过程的时间窗口，深入揭示了这类晶体组装的暗箱：结合 PXRD、小角 X 射线散射（SAXS）以及密度泛函理论（DFT）计算。研究团队首次捕获了 DW-HOFs 晶体由亚稳态逐步演化至最终稳定结构的全过程（图 3）。

图3. DW-HOFs材料的组装过程及相应的理论计算

研究发现，框架最初形成传统羧酸-羧酸类 HOFs 结构，随后经历多步构象转变，最终演化为更加稳定的酰肼-羧酸氢键双壁结构。理论计算进一步表明，驱动这一演化过程的关键因素，是单位体积内氢键密度不断增加，从而使体系自由能持续降低，最终形成最稳定的晶体结构。这一发现成功解释 DW-HOFs 材料快速组装的机理，也为未来通过反应过程调控晶体结构提供了新的理论依据。

总结与展望

该研究首次提出了选择性孔径调控这一新的多孔晶体设计策略，实现了不同孔径的独立设计和共价键-氢键协同组装及精准调控，突破了传统双孔材料 “孔径联动变化” 的设计局限。这一工作不仅丰富了氢键有机框架材料体系，也为多孔晶体在离子传导、分离、储能及催化等领域的发展提供了新的设计思路，对于推动精准网格化学（Reticular Chemistry）和功能多孔材料的发展具有重要意义。