港理工、新南威爾士大學(xué)等提出可逆分子指紋

作者 | 論文團(tuán)隊(duì)

編輯丨ScienceAI

過去幾年，谷歌、微軟等公司陸續(xù)展示了生成式人工智能在材料科學(xué)中的潛力。不同于傳統(tǒng)「先提出材料、再逐個測試」的方式，人工智能可以從目標(biāo)性能出發(fā)，反向生成可能滿足條件的新材料，從而大幅加快材料發(fā)現(xiàn)過程。

不過，對于一些數(shù)據(jù)極度稀缺、結(jié)構(gòu)約束又非常嚴(yán)格的材料體系，現(xiàn)有生成式人工智能往往難以真正發(fā)揮作用。二維有機(jī) — 無機(jī)雜化鈣鈦礦就是一個典型例子。

這類材料被廣泛認(rèn)為是下一代太陽能電池的重要候選體系之一。其中，二維 DJ 相鈣鈦礦因其特殊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和光電性能受到關(guān)注。然而，目前已知可用于二維 DJ 相鈣鈦礦的有機(jī)分子只有幾十種，如果不加結(jié)構(gòu)約束，小有機(jī)分子的潛在化學(xué)空間可達(dá) 約 10^60 量級；而二維 DJ 相鈣鈦礦對有機(jī)間隔陽離子的結(jié)構(gòu)要求又非常嚴(yán)格，使得這一體系既「空間巨大」，又「可行區(qū)域狹窄」。

如何在如此龐大、卻又高度受限的化學(xué)空間中高效尋找可行材料，一直是「人工智能賦能科學(xué)發(fā)現(xiàn)」面臨的重要挑戰(zhàn)。

近期，來自香港理工大學(xué)、新南威爾士大學(xué)等機(jī)構(gòu)的吳韜、殷駿等團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》發(fā)表了一項(xiàng)人工智能輔助反向設(shè)計(jì)研究，嘗試為這一問題提供新的解決思路。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種面向二維 DJ 相鈣鈦礦的分子指紋框架。該框架能夠?qū)⒂袡C(jī)分子編碼為一種可逆的數(shù)字指紋，使人工智能可以在嚴(yán)格結(jié)構(gòu)約束下，更高效地搜索潛在可行材料。

與傳統(tǒng)分子嵌入表示不同，這一分子指紋不僅可以作為人工智能模型的輸入，還能夠重新映射回真實(shí)的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)。換句話說，人工智能不再只是「理解」材料結(jié)構(gòu)，而是開始具備從目標(biāo)性質(zhì)出發(fā)、反向生成有機(jī)分子的能力。

值得注意的是，這項(xiàng)研究并不是簡單套用大模型「憑空生成分子」，而是通過將化學(xué)知識編碼進(jìn)可逆分子指紋，讓 AI 在嚴(yán)格受限的結(jié)構(gòu)空間中進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動搜索。

圖一：面向目標(biāo)能級與制備可行性的二維 DJ 相鈣鈦礦人工智能輔助反向設(shè)計(jì)流程。

整個分子指紋由 12 個描述符構(gòu)成，用于刻畫芳香環(huán)數(shù)量、連接鏈長度、銨基位置、雜原子取代以及側(cè)鏈結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵分子特征。這些描述符既保留了二維鈣鈦礦所需的重要結(jié)構(gòu)信息，也讓龐大的化學(xué)空間探索變得更加可控。

圖二：二維 DJ 相鈣鈦礦有機(jī)間隔陽離子的可逆分子指紋表示方法。

基于這一理論框架，研究團(tuán)隊(duì)從僅有的 21 個已知 DJ 相有機(jī)分子出發(fā)，通過分子結(jié)構(gòu)變形不斷擴(kuò)展化學(xué)空間，最終創(chuàng)建出一個包含近 500 萬個假象有機(jī)分子的候選空間。

圖三：高通量數(shù)據(jù)生成與能級排列分析。

在獲得百萬級候選分子空間后，研究人員進(jìn)一步結(jié)合高通量第一性原理計(jì)算與可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)，對候選材料的能級排列進(jìn)行預(yù)測和篩選。

圖四：機(jī)器學(xué)習(xí)模型性能與分子結(jié)構(gòu)特征影響分析。

其中，可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)不僅用于提高篩選效率，也幫助研究人員理解哪些分子結(jié)構(gòu)特征會顯著影響 HOMO 和 LUMO 能級，從而為后續(xù)分子設(shè)計(jì)提供更清晰的結(jié)構(gòu) — 性能關(guān)聯(lián)。

不過，對于材料發(fā)現(xiàn)而言，找到「理論上性能合適」的分子還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了避免人工智能只給出「理論上可能、實(shí)驗(yàn)上很難實(shí)現(xiàn)」的候選分子，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步引入了制備可行性篩選。該步驟不僅關(guān)注有機(jī)分子本身是否容易合成，也評估其是否有可能形成穩(wěn)定的二維 DJ 相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。

圖五：面向二維 DJ 相鈣鈦礦制備可行性的兩步篩選流程。

最終，人工智能從海量候選中鎖定了 56 個具有目標(biāo)能級匹配關(guān)系的潛在分子候選。其中包括此前較少被系統(tǒng)研究的 Type Ib、Type IIa 和 Type IIb 能級結(jié)構(gòu)，為二維鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)提供了新的候選方向。

圖六：反向設(shè)計(jì)得到的 Type Ib、Type IIa 和 Type IIb 能級排列二維 DJ 相鈣鈦礦候選材料。

相比傳統(tǒng)「暴力篩選」模式，這種反向設(shè)計(jì)流程更像是一種「目標(biāo)驅(qū)動搜索」。研究者不再需要先提出分子，再逐一測試其性能；而是可以先定義目標(biāo)能級、目標(biāo)能帶排列和目標(biāo)功能，再由人工智能反向?qū)ふ易羁赡軡M足條件的分子結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)工作回應(yīng)了人工智能輔助材料發(fā)現(xiàn)中的一個關(guān)鍵難題：在數(shù)據(jù)稀缺、結(jié)構(gòu)約束嚴(yán)格的材料體系中，如何讓模型真正參與到材料設(shè)計(jì)過程，而不僅僅是進(jìn)行性質(zhì)預(yù)測。通過構(gòu)建可逆分子指紋，該研究在人工智能與材料科學(xué)之間搭建了一座新的橋梁。

除了太陽能電池，這一框架未來還有望進(jìn)一步擴(kuò)展到有機(jī)半導(dǎo)體、金屬有機(jī)框架材料、雜化材料以及分子電子學(xué)等更廣泛的材料體系中。