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  質(zhì)子交換膜是決定燃料電池能量/功率密度、循環(huán)壽命等的核心部件，也是當(dāng)前燃料電池汽車亟需進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵材料。目前商業(yè)化應(yīng)用以及研究的參照主要是杜邦公司生產(chǎn)的Nafion全氟磺酸膜。雖然Nafion膜具有非常鮮明的優(yōu)缺點(diǎn)，開發(fā)Nafion復(fù)合膜和新的非氟聚合物質(zhì)子交換膜是高分子材料研發(fā)的前沿。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所高分子材料結(jié)構(gòu)與大數(shù)據(jù)課題組圍繞質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)解析、組成工藝性能數(shù)據(jù)庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建，明晰了Nafion和非氟聚合物質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)特征，基于定量的組成-工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，給出了開發(fā)高性能質(zhì)子交換膜的可檢驗(yàn)性指導(dǎo)。

  首先，通過(guò)對(duì)Nafion具有特氟龍主鏈和磺酸根側(cè)基的高分子進(jìn)行了量子化學(xué)計(jì)算-分子力場(chǎng)和非球?qū)ΨQ粗�；Ｐ偷木_構(gòu)建，結(jié)合GPU加速的分子動(dòng)力學(xué)模擬，構(gòu)建了Nafion膜的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過(guò)類似電鏡投影和小角散射曲線計(jì)算，得到了與實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果，在模擬上首次全面再現(xiàn)了Nafion這種無(wú)序相分離結(jié)構(gòu)的五個(gè)特征（Assembled Structures of Perfluorosulfonic Acid Ionomers Investigated by Anisotropic Modeling and Simulations. J. Phys. Chem. B 2017, 121:9718）[1]。

  其次，通過(guò)對(duì)300余篇關(guān)于Nafion質(zhì)子交換膜的原始研究論文開展了數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)研究，厘清了質(zhì)子傳導(dǎo)率和水在膜中的分布，并擬合出了熱力學(xué)理論參數(shù)。進(jìn)一步在復(fù)合材料對(duì)性能的可靠預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上，分析并明確了具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的復(fù)合填充材料選擇，和匹配的優(yōu)化制膜工藝方案（An Overview of the Proton Conductivity of Nafion Membranes through a Statistical Analysis. J. Membr. Sci. 2016, 504, 1; A Statistical Study of Proton Conduction in Nafion®-Based Composite Membranes: Prediction, Filler Selection and Fabrication Methods. J. Membr. Sci. 2018, 549, 393）[2][3]。

  近期，通過(guò)對(duì)2800多篇文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)挖掘，梳理出含有166種親水嵌段和175種疏水嵌段的高分子，基于可靠的性能預(yù)測(cè)模型，高通量篩選了26萬(wàn)余種兩嵌段高分子，從中找到了2800余種具有優(yōu)于當(dāng)前商業(yè)燃料電池汽車所用高分子Nafion 117的綜合性能，將為新的高性能質(zhì)子交換膜材料設(shè)計(jì)和制備提供切實(shí)指導(dǎo)（Rational design of hydrocarbon-based sulfonated copolymers for proton exchange membranes. J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA00688E）[4]。

  這些高分子材料大數(shù)據(jù)的研究還僅僅是個(gè)開始，在數(shù)萬(wàn)億的商業(yè)背景下，高分子材料是實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、個(gè)性化和智能化的關(guān)鍵。在達(dá)到目標(biāo)性能要求的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)材料和制備工藝最優(yōu)化，預(yù)測(cè)和指導(dǎo)極端使用條件下高分子材料的極限性能實(shí)現(xiàn)，包含數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)的高分子材料大數(shù)據(jù)研究，大有可為。同時(shí)也應(yīng)看到，雖然材料領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)研究近年來(lái)取得了一系列令人矚目的報(bào)道，但在高分子材料方面的成果卻屈指可數(shù)。（材料基因組學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀、研究思路與建議 中國(guó)科學(xué):化學(xué) 2018, 48, 243-255）[5]。研究思路、核心技術(shù)、預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證方案和可解釋性，特別是清晰的材料多層次結(jié)構(gòu)信息，非常稀缺難得。我們?cè)撓盗醒芯砍醪教剿鞒隽烁叻肿硬牧洗髷?shù)據(jù)的可行研究思路，期望能夠促進(jìn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新這一研究范式在高分子材料的基礎(chǔ)和前沿研發(fā)的有效融合。

  中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所高分子材料結(jié)構(gòu)與大數(shù)據(jù)課題組PI為李云琦研究員，曾獲中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃A類支持（結(jié)題優(yōu)秀）。李云琦研究員曾在南京大學(xué)化學(xué)系、高分子化學(xué)與物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)煆陌擦⒓言菏繉W(xué)習(xí)，之后在堪薩斯大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心、應(yīng)用生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室以及羅格斯大學(xué)食品系學(xué)習(xí)工作，其多學(xué)科的背景為高分子材料的大數(shù)據(jù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課題組成員陳文多副研究員和博士研究生劉倫洋主導(dǎo)開展了這一系列工作。

  該系列工作得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2015CB655302），國(guó)家自然科學(xué)基金（21374117，21404105，21774128）以及中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDY-SSW-SLH027）支持。

論文鏈接

[1]https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.jpcb.7b06412 

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738815304105?via%3Dihub 

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738817318409?via%3Dihub 

[4]https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA00688E

[5]http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSC/48/3/10.1360/N032017-00182?slug=fulltext