利用计算机数据挖掘技术研究分子筛材料的结构化学

Zeolites are the most important industrial catlysts widely used in the fields of adsorption, separation, host-guest assembly, and ion-exchange. To understand the structural chemistry of zeolites is the prerequisite for rational synthesis according to function needs, which is very important in both theoretical and practical senses. Data mining technique is a computer method that could discover hidden patterns among gigantic data sets. It could be used to study big and complex system problems that could not be solved through traditional methods. This project is based on our earlier studies and will benefit from the advantages of data mining technique in dealing with complex data. On the basis of thorough analysis of the structural data of zeolites, we will introduce novel digital parameters to describe complex zeolite framework structures, discover the hidden rules of zeolite structures, and set up mathematical models associating vairous zeolite structures and their structural attributes. This project aims not only to find a new approach to study the structural chemistry of inorganic cyrstalline materials, but also to establish the theoretical foundation of rational synthesis according to the idea of molecular engineering.

沸石分子筛材料是工业上最重要的催化剂之一，在吸附、分离、主客体组装以及离子交换等领域有着广泛的应用。深入理解沸石分子筛的结构化学规律是根据实际功能需求定向合成这类材料的先决条件，具有重要的理论和实际意义。数据挖掘技术是一种在大量数据中挖掘隐含规律的计算机方法，可以用来研究传统方法难以处理的庞大复杂的系统问题。本项目在前期工作的基础上，发挥计算机数据挖掘技术处理复杂数据的优势，通过对现有分子筛结构数据的分析，设计出用以描述分子筛复杂骨架拓扑的各种参数，建立关联不同分子筛结构以及不同结构属性的数学模型，挖掘分子筛材料的内在结构化学规律。本项目的研究目的不仅是探索一种结构化学研究的新途径，更为重要的是，将为以"分子工程学"为指导思想的定向合成提供理论基础。

沸石分子筛是一类具有规则孔道、较大比表面积和较高水热稳定性的无机微孔晶体材料。这类材料具有良好的催化、吸附、分离、主客体组装以及离子交换等性能，在石油化工、精细化工和日用化工等领域具有广泛的应用。分子筛材料的优异性能主要来源于其独特的孔道结构。深入理解分子筛材料的结构化学，对以功能为导向的分子筛材料的定向合成是至关重要的。本项目在前期工作的基础上，以分子筛材料的结构化学为研究目标，利用多种计算机技术，围绕分子筛结构的参数化和分子筛结构规律的挖掘开展研究。取得的研究成果包括：（1）提出了无机晶体材料的“基因”概念，利用自主开发的计算机编码方法，可以将复杂的分子筛结构转变为一维的计算机编码，从中提取结构信息，并实现新型分子筛晶体结构的高通量枚举与筛选。这种无机晶体材料的基因思想得到《自然通讯》、Materials Views中国、《科学通报》等多家学术媒体的报道，被华盛顿大学的J. Pfaendtner评价为“多孔材料研发领域的重大发现”；（2）发现了所有已知分子筛共同遵守的结构规律：局域原子间距规则及非近邻氧最短间距规则。利用这些规则，可以有效剔除大量不合理的假想分子筛结构；（3）利用前期工作中开发的计算机方法，预测出大量新颖的分子筛结构，进一步丰富了假想分子筛结构数据库；（4）通过量子化学计算，研究了分子筛笼中特定的化学反应机制，为分子筛材料的高通量筛选提供依据；（5）在理论计算的指导下，合成出JU-60、JU-61、MAPO-CJ50、JIS-10等新型微孔晶体材料。本项目的研究为将来由功能需求到定向合成这一“分子工程学”思想的实现奠定理论基础。