Angewandte Chemie | AI驅(qū)動的界面分子工程設(shè)計(jì)新范式
分子工程用于開發(fā)先進(jìn)界面材料方面潛力巨大,然而有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)多樣性與功能復(fù)雜性使得針對特定界面性質(zhì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得極具挑戰(zhàn)。此外,傳統(tǒng)的“試錯(cuò)式”分子發(fā)現(xiàn)及設(shè)計(jì)方法效率低下,且適用性難以高通量擴(kuò)展。
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料人工智能研究中心喻學(xué)鋒研究員團(tuán)隊(duì)在AI驅(qū)動界面分子工程設(shè)計(jì)研究方面取得新突破,在化學(xué)學(xué)術(shù)期刊Angewandte Chemie International Edition上發(fā)表了題為“AI-Driven Discovery and Molecular Engineering Design for Enhancing Interface Stability of Black Phosphorus”的研究論文。該研究通過融合大語言模型與圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GNN)機(jī)器學(xué)習(xí),成功開發(fā)了一種結(jié)合知識推理與性質(zhì)預(yù)測的分子工程智能設(shè)計(jì)工作流(圖1),以加速界面體系功能設(shè)計(jì)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)選取了一種在電子器件與能源化學(xué)領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力、但在常溫條件下穩(wěn)定性較差的典型二維材料——黑磷(BP)作為模型體系,以展示該方法的有效性。相比于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)范式往往只能找到單一分子用于黑磷表面穩(wěn)定性調(diào)控,本方法快速預(yù)測和發(fā)現(xiàn)多種新型的界面修飾分子材料,大幅縮短了研發(fā)周期?;谠撛O(shè)計(jì)框架,研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出分子“功能頭基-連接基-尾基”協(xié)同調(diào)控策略,顛覆并突破了傳統(tǒng)親水分子不適用于BP保護(hù)的認(rèn)知,為材料的界面分子設(shè)計(jì)提供了新見解。
研究團(tuán)隊(duì)提出“AI驅(qū)動的材料界面分子工程設(shè)計(jì)”新范式,工作亮點(diǎn)如下
此外,該研究工作所提出的AI驅(qū)動的分子工程設(shè)計(jì)策略可推廣至鈣鈦礦、MXene等多種易氧化材料的界面設(shè)計(jì)。通過結(jié)構(gòu)模塊化策略,該平臺可適配不同化學(xué)體系需求,加速功能分子發(fā)現(xiàn),推動新材料研發(fā)從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動”向“AI驅(qū)動”深度轉(zhuǎn)型。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院喻學(xué)鋒研究員、彭超副研究員及王佳宏副研究員為論文共同通訊作者,彭超副研究員、王冰博士及吳列博士為論文共同第一作者。研究獲國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃等項(xiàng)目支持。

圖1 | AI驅(qū)動的材料界面分子工程智能設(shè)計(jì)示意圖。

圖2 | 機(jī)器學(xué)習(xí)與高通量篩選流程概覽。

圖3 | 基于分子工程提高黑磷界面穩(wěn)定性的協(xié)同調(diào)控策略。
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