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圣母大學(xué)羅騰飛/馬瑞民ACS AMI: 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)探索高熱導(dǎo)率非晶聚合物

開發(fā)具有理想導(dǎo)熱性的非晶聚合物具有重要意義，因?yàn)槠湓跓醾鬏斨陵P(guān)重要的應(yīng)用中無處不在。然而，傳統(tǒng)的愛迪生式方法很慢且不能保證材料開發(fā)的成功。

在此，美國圣母大學(xué)羅騰飛、馬瑞民等人采用基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的逆向材料設(shè)計算法，利用文獻(xiàn)中生成的469個分子動力學(xué)（MD）模擬數(shù)據(jù)探索高熱導(dǎo)率（TC≥0.400 W/m·K）的非晶聚合物。作者使用機(jī)器學(xué)習(xí)生成的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫 PI1M（其中包含約100萬個虛擬聚合物結(jié)構(gòu)）訓(xùn)練基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）的聚合物生成器，并使用該模型生成新的聚合物結(jié)構(gòu)。

此外，作者訓(xùn)練了隨機(jī)森林（RF）模型以量化469個MD模擬數(shù)據(jù)上的化學(xué)-TC關(guān)系，該模型為新生成的聚合物提供反饋（即預(yù)測TC）。結(jié)果顯示，對于所有生成的TC≥0.400 W/m·K的聚合物，其TC介于0.400~0.430 W/m·K之間。作者通過計算合成可及性分?jǐn)?shù)評估了其可合成性，并使用MD模擬驗(yàn)證了所選聚合物的熱導(dǎo)率。

圖1. 本研究中使用的聚合物結(jié)構(gòu)表示示例及TC分布

最終，作者通過MD模擬驗(yàn)證了30種聚合物結(jié)構(gòu)，其TC范圍從0.360~0.693 W/m·K，其中最佳導(dǎo)熱聚合物的TC為 0.693 W/m·K。根據(jù)合成可及性分?jǐn)?shù)估計，這些聚合物很容易合成。MD計算的TC可能會受到所用力場準(zhǔn)確性的影響，但由于作者使用相同的力場來生成所有數(shù)據(jù)，因此本研究的結(jié)果和結(jié)論應(yīng)該是自洽的。

此外，在非晶聚合物中，構(gòu)象比鍵合相互作用本身更重要，因?yàn)闊彷d體會因結(jié)構(gòu)無序而分散。此次模擬的聚合物主要涉及有機(jī)分子中包含的常見鍵和原子，因此使用的力場應(yīng)該能夠捕獲構(gòu)象，從而提供對非晶聚合物TC的一致預(yù)測。這項(xiàng)工作證明了使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)來設(shè)計具有高TC聚合物的適用性，可以推廣到設(shè)計具有不同特性的聚合物材料。

圖2. 使用MD模擬的無非晶聚合物生成和TC計算圖

Exploring High Thermal Conductivity Amorphous Polymers Using Reinforcement Learning, ACS Applied Materials & Interfaces 2022. DOI: 10.1021/acsami.1c23610

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