中國科大鄒綱教授課題組 Nat. Commun.：機器化學(xué)家助力手性聚合物功能材料的逆向定制
手性是自然界的基本屬性之一，生命過程中廣泛存在著手性的產(chǎn)生、傳遞、放大和調(diào)控。受此啟發(fā)，合成特定手性結(jié)構(gòu)的聚合物，研究其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)和功能，已成為當(dāng)今高分子科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一。然而有機聚合物材料的光學(xué)活性普遍十分微弱，已成為制約手性微納光子學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題。在前期工作中，中科大鄒綱教授課題組將圓偏振光、磁圓二向色性（Nat. Commun. 2014, 5, 5050）、超手性光（Nat. Commun. 2018, 9, 5117）以及手性等離子體誘導(dǎo)（Nat. Commun. 2020, 11, 1188）等引入到不對稱光聚合體系中，發(fā)展了一系列手性聚合物功能材料的可控合成新方法。
探索和理解材料結(jié)構(gòu)和手性光學(xué)功能間的構(gòu)效關(guān)系是實現(xiàn)手性光學(xué)器件理性設(shè)計和研發(fā)的基礎(chǔ)，通過逆向設(shè)計指導(dǎo)手性結(jié)構(gòu)的精準構(gòu)筑，實現(xiàn)對材料手性光學(xué)功能的任意操縱是人們不斷追求的夢想。有機聚合物材料的工藝參數(shù)復(fù)雜、設(shè)計空間巨大，而基于“窮舉”、“試錯”等手段的傳統(tǒng)研究范式，在面對龐大的化學(xué)空間、配方和工藝的搜索時，卻常常止步于局部最優(yōu)，無法進行全局探索。在前期工作中，中科大江俊教授團隊研制出了全球首個數(shù)據(jù)智能驅(qū)動的全流程機器化學(xué)家（Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwac190），實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)與智能模型雙驅(qū)動下的合成-表征-測試全流程開發(fā)，在高熵催化劑等體系中建立全局搜索模型并找出了全局最優(yōu)解。
針對手性聚合物材料的設(shè)計難題，鄒綱教授與江俊教授團隊合作，通過數(shù)據(jù)智能驅(qū)動的全流程機器化學(xué)家，利用機器實驗高效采集大量精準數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能方法分析實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建薄膜光譜特性、制備工藝參數(shù)和宏觀手性光學(xué)功能之間的耦合映射關(guān)系，實現(xiàn)了手性光學(xué)活性的精準預(yù)測和按需定制的逆向設(shè)計。該研究為實現(xiàn)手性功能材料的逆向設(shè)計和定制制造提供了新的途徑，也展現(xiàn)了機器化學(xué)家在材料智能創(chuàng)制中的強大能力。該成果以“Inverse design of chiral functional films by a robotic AI-guided system”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。 研究者從非手性聚合物出發(fā)，通過螺旋堆疊方法設(shè)計了具有超強光學(xué)活性的聚合物功能薄膜的構(gòu)筑方案，基于該方案搭建了可供機器化學(xué)家操作的薄膜制備-表征實驗平臺（圖1）；從材料制備工藝參數(shù)、譜學(xué)特性出發(fā)，采用機器化學(xué)家精確控制薄膜制備參數(shù)、測量薄膜光學(xué)響應(yīng)性質(zhì)、進行高效實驗采集約1500組數(shù)據(jù)，整合構(gòu)建光學(xué)功能薄膜的光譜-性能數(shù)據(jù)庫；以其為學(xué)習(xí)樣本，基于理論計算數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化學(xué)習(xí)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建基于材料的制備工藝參數(shù)、譜學(xué)特性和手性光學(xué)性能的耦合映射關(guān)系，實現(xiàn)端到端的手性光學(xué)材料性能的正向精準預(yù)測（圖2）。
圖1機器化學(xué)家與薄膜制備-表征實驗平臺
圖2 手性聚合物功能薄膜的正向精準預(yù)測與逆向設(shè)計
研究者們將基于機器化學(xué)家構(gòu)建的“材料結(jié)構(gòu)-光譜表征-器件性能”關(guān)聯(lián)模型與生成對抗網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，將材料圓二色光譜峰位置、不對稱因子 g大小、正負性等作為目標條件，訓(xùn)練生成器，個性化確定實驗工藝參數(shù)和譜學(xué)特性，并對生成器推薦的參數(shù)進行機器實驗驗證，快速篩選最優(yōu)工藝條件，通過逆向設(shè)計指導(dǎo)特定功能的手性光學(xué)材料的精準制備（圖3）。
圖3手性聚合物功能膜的按需逆向定制
研究發(fā)現(xiàn)，通過逆向設(shè)計可以精準制備在特定波長（例如445、520和634 nm處）具有超強光學(xué)活性gabs>1的聚合物功能薄膜，可以用于基于圓偏振選擇的多色激光切換。如下圖所示，兩個目標波長處gabs值的差異越大，多色激光切換效率越高。
圖4聚合物手性光學(xué)薄膜用于圓偏振多色激光顯示。
在此基礎(chǔ)上，研究者合成了一系列不同發(fā)光波長的鈣鈦礦量子點，并通過機器化學(xué)家進行逆向設(shè)計，制備一系列具有超強光學(xué)活性的聚合物功能薄膜，通過精準調(diào)節(jié)薄膜CD光譜峰與量子點熒光波長的匹配，實現(xiàn)高的手性轉(zhuǎn)換效率。如下圖所示，研究者可實現(xiàn)復(fù)合薄膜圓偏振熒光峰位置、強度、信號正負的精準可調(diào)，不對稱發(fā)光因子glum最高可達1.9，逼近理論極限。
圖5 圓偏振熒光復(fù)合薄膜的逆向、精準定制。
該研究基于數(shù)據(jù)智能驅(qū)動的機器化學(xué)家平臺，構(gòu)建薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)、光譜特性和薄膜手性光學(xué)響應(yīng)間的耦合映射關(guān)系，能有效克服聚合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜性給材料構(gòu)效關(guān)系研究帶來的困擾，突破傳統(tǒng)手性光學(xué)材料設(shè)計中結(jié)構(gòu)信息精度差、效能預(yù)測難等瓶頸，實現(xiàn)按需定制，指導(dǎo)特定手性光學(xué)功能的聚合物薄膜的精準制備。
文章第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生謝逸帆，共同第一作者為馮碩副研究員，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鄒綱教授和江俊教授，蘇州實驗室陳忻研究員。該工作得到中國科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃等項目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41951-x
