繪製能量-結構-效能圖是一種預測多孔分子晶體材料的方法,該方法利用理論計算尋找可能的低能量高性能晶體排列方式來實現新材料的探索和發現。近日,我校費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心的安迪•庫伯教授(Prof. Andrew Ian Cooper)團隊在數位化導航能量-結構-效能圖研究方面取得新進展。該成果以華東理工大學為第一單比特,以“Digital navigation of energy–structure–function maps for hydrogen-bonded porous molecular crystals”為題發表在國際權威學術期刊Nature Communications(《自然-通訊》)上。
物理性能優异的分子晶體材料可以應用在如氣體儲存與分離等諸多領域,然而分子晶體領域的設計更多依賴於經驗。在前期關於繪製能量-結構-效能圖進行晶體結構預測(Nature,2017,543,657)的研究基礎上,針對傳統晶體預測結果給出數以萬計的可能結構致使三者關係難以解讀,以及所預測結果無法跨分子進行比較的問題,團隊研發人員在本工作中進一步延伸拓展了上述方法。以氫鍵有機框架結構為例,新方法首先對一系列的能量-結構-效能圖進行了更加詳盡的刨析,找出最有潜力的分子及類型並分析原因,在此基礎上結合機器學習的方法,對ESF圖中的高維數據進行了無監督學習型分類與降維視覺化。這種更加通用、便捷的工作流程可以系統性的從高維數據中直接篩選出代表性結構,從而使研究人員可以直接在極其複雜的ESF圖上進行導航蒐索,發現能量有利或性能優异的分子晶體結構,同時視覺化的預測、揭示複雜的結構-效能相關性。本研究同時開發了一種開源的互動式視覺化工具,為檢索與分析晶體結構提供了有力保障。結合以上探索,團隊研發人員在研究中成功預測了一種超低物理密度的分子晶體。該工作為電腦探索、研發功能性分子晶體材料提供了新方法和新方向,同時為推進該領域未來的全自動化提供了新的思路。
上述研究工作主要由我校趙成蹊博士在安迪•庫伯教授和陳林江研究員及南安普頓大學Graeme Day教授的指導下以CSC資助交流博士生身份完成。研究得到了我校劉洪來教授,盧運祥教授,我校校友、利物浦大學吳曉鋒研究員,以及利物浦大學車瑜和龐中孚博士的指導和幫助。該工作獲得了Leverhulme研究中心、費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心、國家自然科學基金以及國家留學基金委的相關科研資金支持。該工作展示了我校CSC《精准化學和分子工程國際化研究領軍人才培養項目》在培養高水准國際化人才和孵育具有重大國際影響力的原創性成果方面的巨大潜力。
原文連結:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21091-w