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江蘇大學(xué)聶儀晶課題組 Macromolecules：利用分子模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)揭示聚合物自愈合的微觀機(jī)制

2024-03-30 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：分子模擬機(jī)器學(xué)習(xí) 氫鍵自愈合高分子自愈合機(jī)理

目前，自愈合聚合物的研發(fā)及其自愈合微觀機(jī)理的研究是高分子材料及高分子物理領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。氫鍵型自愈合聚合物是備受關(guān)注的一類自愈合材料。但是聚合物自愈合過程的微觀機(jī)制還沒有完全研究清楚，因此無法建立自愈合聚合物的微觀結(jié)構(gòu)特征與其機(jī)械強(qiáng)度和自修復(fù)效率之間的直接關(guān)系。

圖1. 包含裂紋的高分子系統(tǒng)的快照

近期，江蘇大學(xué)聶儀晶課題組利用分子模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法對氫鍵型自愈合高分子材料的自愈合機(jī)理進(jìn)行了深入研究。通過粗粒化分子動力學(xué)模擬構(gòu)建了裂紋模型（圖1），在不同自愈合溫度和不同自愈合時(shí)間下得到裂紋區(qū)域中兩種尺度結(jié)構(gòu)（鏈段和分子鏈）的演變過程。研究表明，低溫下分子鏈在裂紋區(qū)域幾乎沒有重構(gòu)，而升高愈合溫度能夠促進(jìn)聚合物鏈在裂紋區(qū)域的擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，進(jìn)而提高自愈合效率。并且通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線和自愈合效率的計(jì)算，驗(yàn)證了愈合時(shí)間和愈合溫度對于聚合物自愈合性能的影響。這對于聚合物材料的設(shè)計(jì)和自愈合性能的優(yōu)化提供了重要的理論指導(dǎo)，也為后續(xù)機(jī)器學(xué)習(xí)建立了所需的數(shù)據(jù)集，為進(jìn)一步探索聚合物自愈合性能和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以及探求二者的潛在規(guī)律和趨勢提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖2. (a)裂紋體系的愈合過程； (b)不同愈合時(shí)間下的微觀結(jié)構(gòu)演變過程及自愈合效率； (c)不同愈合溫度下的微觀結(jié)構(gòu)演變及自愈合效率

在機(jī)器學(xué)習(xí)中，首先使用三種特征工程（Lasso回歸、隨機(jī)森林、XGBoost）篩序出對自愈合效率影響最大的特征。三種特征工程一致認(rèn)為，分子鏈質(zhì)心特征是最重要的影響因素。增加三種特征的值都能夠提高自愈合效率，分子鏈質(zhì)心的提升效果更明顯。在建立模型階段使用三種機(jī)器學(xué)習(xí)模型（隨機(jī)森林、XGBoost、Lasso回歸）對數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，通過超參數(shù)調(diào)優(yōu)和交叉驗(yàn)證獲得最佳超參數(shù)組合，使用決定系數(shù)R²，均方根誤差RMSE評價(jià)模型，結(jié)果表明隨機(jī)森林模型具有最佳的性能（R²=0.8967, RMSE=0.0333）。在后續(xù)的模型驗(yàn)證中使用訓(xùn)練好的隨機(jī)森林模型，輸入微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)得到自愈合效率的預(yù)測值，可以看出機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相符合，證明了通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法揭示聚合物自愈合機(jī)理的可行性和有效性。成功構(gòu)建了愈合過程中的結(jié)構(gòu)變化與自愈效率之間的定量關(guān)系。

圖3. (a)Lasso回歸特征工程； (b)隨機(jī)森林模型的RMSE解釋圖； (c)自愈合效率的模擬值與預(yù)測值的對比。

該工作以“Microscopic Mechanisms of Self-Healing in Polymers Revealed by Molecular Simulations and Machine Learning”為題發(fā)表在《Macromolecules》上。文章的通訊作者是江蘇大學(xué)聶儀晶副教授，第一作者為周玉航。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。聶儀晶課題組主要從事氫鍵型自愈合聚合物設(shè)計(jì)、制備及模擬方面的研究。通過在聚氨酯系統(tǒng)中同時(shí)構(gòu)筑多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)、配位鍵網(wǎng)絡(luò)、共價(jià)交聯(lián)、柔性嵌段實(shí)現(xiàn)了體系力學(xué)強(qiáng)度和自愈合效率的協(xié)同提升（Progress in Organic Coatings, 2023, 175, 107391 ）；通過實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法揭示了不同結(jié)構(gòu)特征（氫鍵強(qiáng)度、鏈柔順性等）對聚氨酯自愈合性能的影響機(jī)制（Physical Chemistry Chemical Physics, 2023, 25, 28162）；通過對納米二氧化硅表面進(jìn)行改性實(shí)現(xiàn)對聚氨酯體系中游離氫鍵和締合氫鍵含量的調(diào)控，從而控制力學(xué)性能和自愈合性能（Polymer Chemistry, 2024, 15, 384-396）；通過將極性橡膠與聚氨酯進(jìn)行共混，提高體系中氫鍵網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)材料自愈合性能的提高（Polymer, 2022, 246, 124768）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c00338

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（責(zé)任編輯：xu）

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