中國科大鄒綱教授課題組 Nat. Commun.：機器化學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生、傳遞、放大和調控。受此啟發，合成特定手性結構的聚合物，研究其獨特的物理化學性質和功能，已成為當今高分子科學領域研究的熱點之一。然而有機聚合物材料的光學活性普遍十分微弱，已成為制約手性微納光子學技術發展的關鍵瓶頸問題。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（Nat. Commun. 2020, 11, 1188）等引入到不對稱光聚合體系中，發展了一系列手性聚合物功能材料的可控合成新方法。
探索和理解材料結構和手性光學功能間的構效關系是實現手性光學器件理性設計和研發的基礎，通過逆向設計指導手性結構的精準構筑，實現對材料手性光學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復雜、設計空間巨大，而基于“窮舉”、“試錯”等手段的傳統研究范式，在面對龐大的化學空間、配方和工藝的搜索時，卻常常止步于局部最優，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據智能驅動的全流程機器化學家（Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwac190），實現了大數據與智能模型雙驅動下的合成-表征-測試全流程開發，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解。
針對手性聚合物材料的設計難題，鄒綱教授與江俊教授團隊合作，通過數據智能驅動的全流程機器化學家，利用機器實驗高效采集大量精準數據，結合人工智能方法分析實驗數據，構建薄膜光譜特性、制備工藝參數和宏觀手性光學功能之間的耦合映射關系，實現了手性光學活性的精準預測和按需定制的逆向設計。該研究為實現手性功能材料的逆向設計和定制制造提供了新的途徑，也展現了機器化學家在材料智能創制中的強大能力。該成果以“Inverse design of chiral functional films by a robotic AI-guided system”為題發表在《Nature Communications》上。 研究者從非手性聚合物出發，通過螺旋堆疊方法設計了具有超強光學活性的聚合物功能薄膜的構筑方案，基于該方案搭建了可供機器化學家操作的薄膜制備-表征實驗平臺（圖1）；從材料制備工藝參數、譜學特性出發，采用機器化學家精確控制薄膜制備參數、測量薄膜光學響應性質、進行高效實驗采集約1500組數據，整合構建光學功能薄膜的光譜-性能數據庫；以其為學習樣本，基于理論計算數據和實測數據進行優化學習，訓練神經網絡構建基于材料的制備工藝參數、譜學特性和手性光學性能的耦合映射關系，實現端到端的手性光學材料性能的正向精準預測（圖2）。
圖1機器化學家與薄膜制備-表征實驗平臺
圖2 手性聚合物功能薄膜的正向精準預測與逆向設計
研究者們將基于機器化學家構建的“材料結構-光譜表征-器件性能”關聯模型與生成對抗網絡相結合，根據不同的應用需求，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，訓練生成器，個性化確定實驗工藝參數和譜學特性，并對生成器推薦的參數進行機器實驗驗證，快速篩選最優工藝條件，通過逆向設計指導特定功能的手性光學材料的精準制備（圖3）。
圖3手性聚合物功能膜的按需逆向定制
研究發現，通過逆向設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聚合物手性光學薄膜用于圓偏振多色激光顯示。
在此基礎上，研究者合成了一系列不同發光波長的鈣鈦礦量子點，并通過機器化學家進行逆向設計，制備一系列具有超強光學活性的聚合物功能薄膜，通過精準調節薄膜CD光譜峰與量子點熒光波長的匹配，實現高的手性轉換效率。如下圖所示，研究者可實現復合薄膜圓偏振熒光峰位置、強度、信號正負的精準可調，不對稱發光因子glum最高可達1.9，逼近理論極限。
圖5 圓偏振熒光復合薄膜的逆向、精準定制。
該研究基于數據智能驅動的機器化學家平臺，構建薄膜結構參數、光譜特性和薄膜手性光學響應間的耦合映射關系，能有效克服聚合物結構復雜性給材料構效關系研究帶來的困擾，突破傳統手性光學材料設計中結構信息精度差、效能預測難等瓶頸，實現按需定制，指導特定手性光學功能的聚合物薄膜的精準制備。
文章第一作者為中國科學技術大學博士生謝逸帆，共同第一作者為馮碩副研究員，通訊作者為中國科學技術大學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院基礎與交叉前沿科研先導專項、國家自然科學基金和中國科學院穩定支持基礎研究領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
