研究方向一：材料结构与传递现象

研究思路是通过分子模拟手段和必要的实验研究，在多尺度范围内揭示材料结构、性能与制备的关系，并对过程设计、生产加工的流程进行模拟，构建材料化学工程的理论基础。在研究方向的选择上，研究材料的分子设计，通过模拟和实验研究揭示材料的结构－性能关系，从而实现根据最终产品的性能要求裁剪、构筑材料的分子结构的目的；通过研究材料微结构传递和反应物质与材料的相互作用规律以及这种作用规律与宏观环境的变化关系，描述微结构中的传递现象，建立材料的功能与微结构的定量关系；通过对材料微观/介观尺度下存在的基本规律进行研究，获得材料制备和应用过程中微观/介观层次的相结构及演变过程和机理，从而提供材料技术应用的理论依据，为新材料的制备与应用提供理论基础；对材料制备及应用中所涉及的与流体流动相关的各种宏观现象进行计算流体力学模拟，为材料制备和应用的工艺流程提供改造设计与创新设计。拟开展如下研究工作：

1）材料的分子设计研究

运用分子模拟、分子组装等技术开展新材料分子及表面结构设计与构筑研究，包括对微/纳米材料、无机/有机聚合物基杂化材料等的分子及表面结构进行设计与构筑，揭示材料结构－性能的关系，为材料的制备与应用提供理论基础。主要包括研究微/纳米材料可控制备新技术及相关科学基础理论，从量子、化学热力学及结晶动力学的角度，研究纳米材料的形成机理及微结构控制规律，建立材料制备加工过程－材料形态结构－材料应用性能之间的关系；研究微/纳米材料的表面修饰与构筑即微/纳米粒子的表面改性、微/纳米粒子表面与表面改性剂相互作用，改善微/纳米粒子表面的可润湿性，增强微/纳米粒子在介质中的分散性和相容性，特别研究具有超亲水、超疏水表面的微/纳米材料及其具有功能化生长的功能化微/纳米材料；针对有机－无机杂化材料制备与加工，研究无机材料表面改性机理及表面结构控制，以及与有机单体原位聚合、杂化过程机理，通过无机材料的表面设计和表面处理控制无机/聚合物复合材料的界面结构和行为，得到多种性能优良的多元多尺度复合材料，提高纳米杂化复合高分子材料的加工性能，探索其特异的光电等特异性能。

2）材料界面分子传递现象研究

通过分子模拟技术、密度泛函理论、逾渗理论等手段，研究材料微结构传递和反应的物质与材料的相互作用规律、以及这种作用规律与宏观环境的变化关系，描述微结构中的传递行为，建立材料功能与微结构的定量关系，实现面向应用需求来设计材料微结构的目标。主要包括通过分子模拟从分子层面来研究材料化学工程，如膜科学、介孔材料、燃料电池产氢等的共性科学问题，包括流体在非均一表面和受限条件下的结构与动态性质，探索微传递与微扩散机理并建立相应的热力学模型；研究纳米尺度多孔材料中的受限行为的研究，多孔材料包括：碳材料（活性炭），分子筛，多孔硅胶，纳米管，以及low-k和High-k多孔微电子介电材料等，研究流体物质与固体表面的相互作用，以及基于分子模拟研究流体混合物在多孔膜中的扩散和渗透，为建立表观理论模型和设计新型功能性材料提供机理上的指导；将材料学的理论与方法引入经典的传质理论中，构建膜过程传质结构模型，建立多孔陶瓷膜的分离性能与其微结构之间的关系模型，建立膜面滤饼形成的动力学模型，描述膜分离机理，实现面向应用过程的膜材料微结构设计的目的。

3）材料的多尺度模拟及耦合研究

由于材料微结构及其演化在空间和时间分布范围很大，需要采用不同尺度下的模拟以获得材料性能的完整表征和正确预测。通过采用量化计算、分子模拟以及介观模拟等方法，对材料微观/介观尺度下存在的基本规律进行研究，揭示材料制备和应用过程中微观/介观层次的相结构及演变过程和机理，获得材料在宏观上体现的性能，从而提供材料技术应用的理论依据，为新材料的制备与应用提供理论基础。同时，针对材料制备及应用过程中所涉及的化学工程“三传一反”各种宏观现象进行CFD（计算流体力学）模拟，为材料制备和应用的工艺流程的改造或创新设计奠定基础。主要包括基于分子模拟研究大尺度分子在不同溶剂中的相行为和自组装，并在统计力学的基础上建立描述聚合物和表面活性剂相行为的状态方程，研究溶质的存在对表面活性剂相行为和的影响，以及溶质在胶束条件下的传递行为和动力学行为；以CFD技术的理论模型和各种工程应用为研究对象，理论模型的研究内容主要是指除CFD技术自带一些通用模型之外的可以运用于特殊使用场合的物理、化学、数学模型，如各类反应模型、气泡流模型、流化床模型、特殊的传热模型等。应用研究主要是针对无机非金属材料行业的燃烧系统（如水泥回转窑、碳酸锶、碳酸钡、铬盐煅、磁粉、玻璃、陶瓷窑炉能的优化设计、优化操作、节能降耗等；及石油化工加热炉－油气混烧、重整与催化剂再生等过程自动化控制和最最优调节与操作等。高分子聚合反应器中聚合速率、粘性特性及反应装置的优化设计。