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  界面聚合作為一種通用的聚合物膜設(shè)計(jì)平臺(tái)技術(shù)，在微膠囊化等領(lǐng)域的應(yīng)用仍受限于試錯(cuò)式的經(jīng)驗(yàn)方法，其根本原因在于缺乏定量化的理性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。與側(cè)重納米結(jié)構(gòu)調(diào)控和分離效率的界面聚合分離膜不同，微膠囊化更關(guān)注封裝效率，這使得傳統(tǒng)的膜理論與設(shè)計(jì)參數(shù)難以滿足微膠囊多樣化的設(shè)計(jì)要求。本研究通過(guò)可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)與顯式符號(hào)算法對(duì)界面聚合過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)性解耦，突破了上述限制，并基于反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)理解析出量化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。所構(gòu)建的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)整合了分子熱力學(xué)、聚合動(dòng)力學(xué)及乳液穩(wěn)定性的界面參數(shù)，識(shí)別出以往被忽視卻主導(dǎo)微膠囊形成的關(guān)鍵描述符。該平臺(tái)不僅建立了可預(yù)測(cè)的“分子-工藝-結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)聯(lián)模型，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)微膠囊關(guān)鍵性能的可編程調(diào)控，如封裝效率（30%–95%）、平均粒徑（100–400μm）以及殼層厚度與半徑比（0.005–1），適用于包括疏水性、親水性乃至高反應(yīng)性化合物（如甲苯二異氰酸酯與胺類）在內(nèi)的多種活性載荷。這項(xiàng)工作不僅推動(dòng)了對(duì)微膠囊化中復(fù)雜多相相互作用的理解，也為高通量聚合物微膠囊的量化設(shè)計(jì)建立了新范式，在功能性微納顆粒、催化微反應(yīng)器、數(shù)字細(xì)胞及多功能膜材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

  近日，香港科技大學(xué)楊晶磊教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)可解釋性機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)界面聚合微膠囊化（MIP）進(jìn)行系統(tǒng)性解耦和量化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提取，開(kāi)發(fā)了基于物理機(jī)制的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)微膠囊設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖1）；構(gòu)建了世界首個(gè)界面聚合微膠囊化領(lǐng)域的分子-工藝-結(jié)構(gòu)-性能（CPSP）數(shù)據(jù)庫(kù)（圖2）；系統(tǒng)性整合及解耦了MIP中O/W（水包油）和W/O（油包水）體系CPSP參數(shù)的預(yù)測(cè)顯著性與偏依賴性差異（圖3.1 & 3.2）；并借助符號(hào)回歸衍生算法和反應(yīng)擴(kuò)散物理機(jī)制挖掘了微膠囊化設(shè)計(jì)的隱藏描述符及協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)耦合的量化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（圖4）。本研究提取的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則加速了高通量微膠囊虛擬設(shè)計(jì)（圖5）指導(dǎo)了疏水和親水性分子的普適性封裝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（圖6），以及超疏水和自修復(fù)微膠囊的功能化和控制釋放設(shè)計(jì)（圖7）。這項(xiàng)研究工作打開(kāi)了微膠囊等界面聚合膜系統(tǒng)材料的物理和化學(xué)場(chǎng)耦合黑盒子，遷移其為可物理解釋的預(yù)測(cè)性數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)范式，為微膠囊化的性能預(yù)測(cè)和解析（封裝效率，平均粒徑，殼結(jié)構(gòu)，顆粒形貌，殼層納米孔隙率和殼表面水接觸角）提供了理性設(shè)計(jì)指南，同時(shí)拓展及定義了微膠囊復(fù)合材料的廣義設(shè)計(jì)空間供后續(xù)研究者探索與創(chuàng)新（圖8）。

  2026年1月18日，該工作以“Programming Interfacial Polymerization: Machine Learning Unveils Quantitative Rational Design Rules for Microcapsules and Beyond“為題發(fā)表在 《Advanced Materials》上。文章第一作者為香港科技大學(xué)博士生韓昱子。

圖1. 基于物理機(jī)制的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的微膠囊化設(shè)計(jì)

圖2. 基于界面聚合的微膠囊分子-工藝-結(jié)構(gòu)-性能數(shù)據(jù)庫(kù)

圖3.1 可解釋性機(jī)器學(xué)習(xí)的性能表現(xiàn)

圖3.2 微膠囊化工藝參數(shù)偏依賴性的ALE解耦(原文Figure S7)

圖4. 通過(guò)符號(hào)算法與偏依賴分析提取的用于封裝效率設(shè)計(jì)描述符

圖5.界面聚合微膠囊化高通量虛擬設(shè)計(jì)流程

圖6.疏水性和親水性化合物的普適性封裝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7.面向超疏水與自修復(fù)功能的微膠囊理性設(shè)計(jì)及多尺度表征

圖8. 界面聚合微膠囊化的理性設(shè)計(jì)指南及其他膠囊化方法（溶劑蒸發(fā)、懸浮聚合、原位聚合）在預(yù)測(cè)封裝效率層面的設(shè)計(jì)空間（Ashby Plot）對(duì)比

  本研究突破了界面聚合傳統(tǒng)上受限于特定應(yīng)用的邊界，引入了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)，通過(guò)可解釋性機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)界面聚合結(jié)果的可編程控制。此工作超越了長(zhǎng)期制約微膠囊化乃至整個(gè)界面聚合領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)性研究范式，通過(guò)解析以單體分配系數(shù)等關(guān)鍵描述符為代表的機(jī)理導(dǎo)向定量設(shè)計(jì)規(guī)則，建立了可預(yù)測(cè)的化學(xué)工藝結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物微膠囊封裝效率、尺寸和殼層結(jié)構(gòu)的可編程設(shè)計(jì)。該平臺(tái)在成功包封多種功能性載荷方面展現(xiàn)出強(qiáng)大魯棒性。更重要的是，所揭示的機(jī)理并不局限于微膠囊化領(lǐng)域。所提取的基礎(chǔ)描述符與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為界面聚合的理性設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)性框架。這項(xiàng)工作標(biāo)志著微膠囊復(fù)合材料合成從“試錯(cuò)式”經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ较颉翱深A(yù)測(cè)、可編程”研究范式的轉(zhuǎn)變。其影響不僅直接推動(dòng)微膠囊化技術(shù)的發(fā)展，更可廣泛拓展至先進(jìn)聚合物薄膜、催化微反應(yīng)器、數(shù)字細(xì)胞及下一代功能膜材料的理性設(shè)計(jì)與制備。通過(guò)搭建連接分子層面理解與宏觀性能的基礎(chǔ)平臺(tái)，本研究為加速界面聚合在整個(gè)材料領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202517708

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