［本站讯］近日，核科学与能源动力学院程星星教授团队的博士生王闯以第一作者身份在国际权威期刊Advanced Materials（IF=29.1）发表了题为“Physics-Driven 3D Structural Prediction and Transport Kinetics of Porous Carbons via Random Field and Phase-Field Evolution”的研究性论文。山东大学为该论文的第一完成单位和通讯作者单位，程星星教授为唯一通讯作者。

分级多孔碳材料因其独特的跨尺度孔隙网络与高比表面积，在能源传输与储能转化中扮演着核心角色。然而，传统开发高度依赖经验试错法和均一化的宏观标量参数，将孔隙演化过程视作黑箱，缺乏从性能目标出发的逆向精准设计模型；同时，受限于现有三维表征技术在多尺度分辨率与高保真还原上的局限，经典物理模拟多依赖理想化的简单几何体，难以动态预测符合热力学演化规律的真实三维拓扑结构。此外，针对非达西传质动力学、渗流阈值及传质热点在三维连续空间中的定量映射依然匮乏，阻碍了多孔碳材料从经验合成向智能按需定制的跨越。

该研究提出了一种耦合机器学习、高斯随机场与相场动力学的多孔碳材料双向映射设计框架。该框架针对传统“试错法”合成中孔隙演化黑箱化、难以按需逆向设计的问题，建立起从宏观目标性能（如比表面积、传质通量）到微观三维拓扑形态的数字化桥梁。在结构重构阶段，结合随机场与相场演化校准，可实现微孔、介孔与宏孔交织的三维分级孔隙网络的高保真重构。在指导合成阶段，通过反馈环路调整工艺参数，能够实现高传质效率多孔碳材料的精准定型与逆向优化。

图1. 双向预测模型工作流程和孔隙形成过程示意图

为消除物理上不合理的拓扑缺陷，作者在高斯随机场中引入了Cahn-Hilliard相场动力学方程，利用界面自由能最小化模拟碳化过程中的相分离与骨架重排。演化结果表明，相场调控起到了关键的“拓扑矫正”作用，剥离了孤立像素并优化了孔壁光滑度，使死端孔与孤立孔等缺陷大幅减少。随着演化时间的推移，拓扑连通性显著提升，定量分析表明当总孔隙率达到0.46时，材料即可突破渗流阈值，构建出全局三维贯穿的孔隙连通网络。

图2. 相场演化下的拓扑连通模式

结合重构的相场数字拓扑与粒子追踪技术，作者深入探讨了孔隙网络内部的非均匀流体传输机制。流场模拟显示，多孔骨架中存在明显的“传质热点”，仅24%的核心连通路径贡献了全网80%的总流量。通过对不同通道尺寸下流体动力学特性的拟合，标定出受限流体传输的动力学缩放指数n=1.6357，证实了非达西传输效应的主导地位。多尺度结构分析进一步表明，微孔虽贡献了90%的比表面积，但其通量占比仅为1.2%，而介孔承担了91%的传输通量，阐明了调控介孔结构以破除微孔传质瓶颈的核心机理。

图3. 传质热点和瓶颈的识别

该研究构建了耦合机器学习、高斯随机场与相场动力学的双向映射模型，成功实现多孔碳材料从宏观性能到微观三维拓扑的逆向精准设计。相场演化显著修复了孤立孔与死端孔等拓扑缺陷，定量阐明了内部非均匀传质机制，明确了介孔在破除微孔传质瓶颈、提升整体通量中的核心作用。本研究打破了传统经验试错的局限，为多孔碳材料的智能按需定制与高效传质优化提供了可靠的理论指导与数字孪生框架。