综述：分子模拟辅助多孔膜设计的进展研究

这篇综述系统阐述了分子模拟技术（DFT/MD/MC）在多孔膜设计中的应用，重点解析了量子化学计算膜结构、分子动力学模拟渗透机制及蒙特卡洛研究相行为等核心方法，为开发高效分离膜（如MOFs、PG膜）提供了理论指导。文章创新性提出"结构-性能"跨尺度关联策略，对气体分离（H2/CO2）、水处理等领域的膜材料开发具有重要启示。

　　

分子模拟技术正成为多孔膜设计领域的革命性工具。通过量子化学、分子动力学和蒙特卡洛等方法的协同应用，研究人员能够在原子尺度解析膜材料的结构-性能关系，为开发新一代高效分离膜提供理论蓝图。

量子化学与膜结构设计
量子化学计算（如DFT）可精确测定多孔膜的电子密度分布和几何构型。以多孔石墨烯（PG）膜为例，通过计算H₂分子穿过膜孔时的电子密度等值面（0.15 e/?³），可确定有效孔径d_e与分子动力学直径σ的匹配关系。研究发现PG膜对H₂/CH₄的分离选择性源于0.88-0.91 eV的能量势垒差异，这为基于"自下而上"策略的膜设计提供了关键参数。

分子动力学揭示渗透机制
采用退火算法重构的BTESE衍生膜模型，其X射线衍射谱与实验数据高度吻合（误差<±0.01 nm）。分子动力学模拟显示，当气体分子尺寸小于膜最小有效孔径时，渗透通量保持稳定；反之则呈指数衰减。特别有趣的是，准四方相（qTP）富勒烯膜因其3.12 ?的漏斗状孔道，使H₂分子通过旋转运动实现高效传输，而CO₂分子则需"扭动"通过，这种分子筛分效应使其H₂/CO₂选择性突破传统极限。

蒙特卡洛模拟相变行为
在Co₂Cl₂(BTDD) MOF中，水分子从两端逐步蒸发的相变过程呈现显著的温度依赖性。通过巨正则蒙特卡洛模拟获得的吸附等温线显示，解吸压力p_d/p₀=0.21±0.01与开尔文方程预测结果一致。这种对毛细凝聚现象的可控调节，为开发大气集水材料提供了新思路。

跨尺度模拟的突破
将量子化学计算的原子电荷、分子动力学模拟的传输路径与蒙特卡洛模拟的相平衡数据整合，可建立完整的"吸附-扩散-解吸"机制模型。例如在渗透汽化膜中，这种多尺度方法能同时解释溶液扩散（ΔG*～v*Δp）、分子筛分和促进传输三种机制，使膜性能预测准确度提升40%以上。

该领域仍面临三大挑战：介观模型的实验验证、机器学习算法的泛化能力提升，以及数字孪生膜技术的标准化。随着ReaxFF等反应力场的优化和超级计算技术的发展，分子模拟有望在2030年前实现工业级膜材料的虚拟筛选，推动分离技术进入"原子制造"新时代。