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長(zhǎng)春應(yīng)化所孫昭艷研究員團(tuán)隊(duì) Macromolecules:基于化學(xué)知識(shí)數(shù)據(jù)增強(qiáng)的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)高耐熱高分子材料
2024-04-25  來(lái)源:高分子科技

  機(jī)器學(xué)習(xí)輔助聚合物設(shè)計(jì)已有一系列成功的案例。然而,其在高分子材料領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段,其原因在于高分子材料具有結(jié)構(gòu)多尺度、性能影響因素多樣、數(shù)據(jù)集小等特點(diǎn),這使得高分子材料的機(jī)器學(xué)習(xí)建模存在系列難題亟待突破。特別是聚合物的配方、合成、加工以及性能表征結(jié)果受多因素影響,高質(zhì)量的數(shù)據(jù)極為稀缺,使得機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練性能和推理可靠性存在一定風(fēng)險(xiǎn),需要發(fā)展新方法解決高分子材料中的小數(shù)據(jù)問(wèn)題。


圖一 基于化學(xué)知識(shí)數(shù)據(jù)增強(qiáng)的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架


  近期,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所孫昭艷研究員團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一種基于化學(xué)知識(shí)的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方案用于提升機(jī)器學(xué)習(xí)模型精度。具體來(lái)說(shuō),通過(guò)利用現(xiàn)成的來(lái)自其他聚合物的數(shù)據(jù),對(duì)聚酰亞胺的化學(xué)空間進(jìn)行補(bǔ)充,彌補(bǔ)了聚酰亞胺數(shù)據(jù)集中分子結(jié)構(gòu)和鏈結(jié)構(gòu)較為局限的困境(聚酰亞胺結(jié)構(gòu)主要包括苯環(huán)、雜環(huán)等剛性結(jié)構(gòu))。這種巧妙的思路被證明可有效提升模型精度(圖二),定性地研究了化學(xué)空間分布對(duì)模型性能的影響(圖三),并給我們一個(gè)數(shù)據(jù)層面的啟示:相比于無(wú)休止地進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,精制一個(gè)具備結(jié)構(gòu)代表性和全面性的化學(xué)空間更加重要(數(shù)據(jù)過(guò)多導(dǎo)致的數(shù)據(jù)冗余反而不利于模型訓(xùn)練)。


  作為案例驗(yàn)證,該模型被用于開(kāi)發(fā)高耐熱聚酰亞胺(PI)材料,開(kāi)發(fā)目標(biāo)為篩選容易合成且耐熱溫度(以Tg為指標(biāo))不低于350℃PI(圖四),以用作柔性顯示的潛在襯底材料。通過(guò)子結(jié)構(gòu)分析和對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型認(rèn)為含有氫鍵的PI具有更高的耐熱性能(這與化學(xué)直覺(jué)一致)。結(jié)合可合成性分?jǐn)?shù)SAscore,從超過(guò)820萬(wàn)種候選結(jié)構(gòu)中篩選出8種容易合成且具備優(yōu)異耐熱性能的PI(圖五)。實(shí)驗(yàn)合成與表征驗(yàn)證這些結(jié)構(gòu)具備極佳的耐熱性能(圖六)。這項(xiàng)工作為高耐熱PI材料開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一系列潛在結(jié)構(gòu),并為解決高分子機(jī)器學(xué)習(xí)中的小數(shù)據(jù)問(wèn)題提供了一種方案。該工作以“Heat-Resistant Polymer Discovery by Utilizing Interpretable Graph Neural Network with Small Data”為題發(fā)表在《Macromolecules》上(Macromolecules 2024,https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c00508)。長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所博士生仇浩科為論文第一作者,代學(xué)民副研究員和孫昭艷研究員為論文共同通訊作者。 


圖二 模型性能隨補(bǔ)充數(shù)據(jù)的變化


圖三 模型化學(xué)空間分布變化


圖四 篩選過(guò)程 


圖五 篩選出的PI結(jié)構(gòu)


圖六 篩選出的8PIDMA結(jié)果


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于高分子機(jī)器學(xué)習(xí)研究的最新進(jìn)展之一。在過(guò)去的兩年中,團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性地探索了環(huán)氧樹(shù)脂粘度(Polymer 2022, 256, 125216)、聚酰亞胺玻璃化溫度(J. Mater. Chem. C, 2023, 11, 2930)、聚氨酯應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)(Chinese J. Polym. Sci. 2023, 41, 422)、高分子大語(yǔ)言模型(Chem. Sci., 2024, 15, 534)等研究。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c00508

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