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　　根據(jù)MIT 教授、本研究資深作者 Heather Kulik 表示：“這些分子可用于制造在受力時表現(xiàn)更強韌的聚合物。當施加應力時，材料不會開裂或斷裂，而是展現(xiàn)出更高的回彈性?！?/p>

　　該論文以題為“High-Throughput Discovery of Ferrocene Mechanophores with Enhanced Reactivity and Network Toughening”發(fā)表在 ACS Central Science 期刊。MIT 博士后 Ilia Kevlishvili 是這篇論文的第一作者，其他作者包括杜克大學研究生 Jafer Vakil、MIT研究生 David Kastner 和 Xiao Huang，以及杜克大學化學系教授 Stephen Craig。

　　利用AI技術，未被開發(fā)的潛力分子被發(fā)現(xiàn)

　　這項研究建立在 Craig 和麻省理工學院講席教授 Jeremiah Johnson 及其同事于 2023 年完成的研究成果基礎上。

　　在那項研究中，研究人員意外發(fā)現(xiàn)：將弱交聯(lián)劑引入聚合物網(wǎng)絡反而能增強材料整體強度。當含有這些弱交聯(lián)劑的材料被拉伸至斷裂點時，裂紋在材料中擴展時會避開強鍵而優(yōu)先破壞弱鍵。這意味著裂紋需要破壞的化學鍵數(shù)量，比所有鍵強度相同時更多。

　　為探索這一現(xiàn)象的新應用，Craig 和 Kulik 合作尋找可用作弱交聯(lián)劑的力響應基團?！拔覀儷@得了新的機理認知和研究機遇，但面臨巨大挑戰(zhàn)：在浩如煙海的物質組成中，如何鎖定最具潛力的候選者?”Craig 表示。

　　發(fā)現(xiàn)和表征力響應基團是項艱巨任務，既耗時實驗又需計算密集的分子相互作用模擬。目前已知的力響應基團多為有機化合物，如 2023 年研究中用作交聯(lián)劑的環(huán)丁烷。

　　新研究中，團隊聚焦于具有力響應基團潛力的二茂鐵分子。這類有機金屬化合物的鐵原子夾在兩個含碳環(huán)之間，通過修飾環(huán)上的化學基團可調控其化學和機械性能。盡管部分二茂鐵已被證實是優(yōu)良的力響應基團，但大多數(shù)尚未接受評估。單個潛在力響應基團的實驗測試需數(shù)周時間，計算模擬雖較快仍需數(shù)日，傳統(tǒng)的方法評估數(shù)千種候選分子幾乎不可能。

　　意識到機器學習可大幅加速分子表征，研究團隊采用神經(jīng)網(wǎng)絡篩選有前景的二茂鐵機械響應團。他們從劍橋結構數(shù)據(jù)庫(Cambridge Structural Database)中選取 5,000 種已合成的二茂鐵結構作為起點?！斑@確保我們無需擔憂分子可合成性問題，能在保持化學多樣性的廣闊空間開展探索。”第一作者 Kevlishvili 解釋道。

　　研究人員首先對其中約 400 種化合物進行力場計算，量化分子內(nèi)原子鍵斷裂所需的作用力。他們特別關注易斷裂的分子，這類弱鍵能增強聚合物的抗撕裂性?；谶@些數(shù)據(jù)與分子結構信息，團隊訓練出機器學習模型，成功預測了數(shù)據(jù)庫中剩余 4,500 種化合物及 7,000 種衍生結構的機械響應閾值。

　　研究發(fā)現(xiàn)兩個關鍵特征可提升抗撕裂性：一是二茂鐵環(huán)上取代基間的相互作用;二是當兩個環(huán)均連接大體積基團時，分子更易在外力作用下斷裂。Kulik 指出：“第一個特征符合預期，但第二個特征完全超出化學家的預判——沒有人工智能，我們永遠無法發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律。這真令人驚喜?！?/p>

　　4倍韌性突破，MIT締造抗撕拉塑料之王

　　當研究人員篩選出約100種潛力分子后，杜克大學 Craig 實驗室率先合成了含有 m-TMS-Fc 交聯(lián)劑的聚合物材料。在該體系中，m-TMS-Fc 作為交聯(lián)點將聚丙烯酸酯的分子鏈相互連接。

　　通過拉伸測試發(fā)現(xiàn)，采用這種弱交聯(lián)劑的聚合物展現(xiàn)出優(yōu)異的抗撕裂性能。實驗數(shù)據(jù)顯示，其韌性達到標準二茂鐵交聯(lián)聚合物的 4 倍。Kevlishvili 指出，“若能提升現(xiàn)有塑料制品的韌性，就能延長使用壽命，從根本上減少塑料產(chǎn)量和廢棄物積累。”

　　研究團隊計劃將該機器學習平臺拓展至其他功能性力響應基團的開發(fā)，例如能響應外力變色或激活催化活性的分子。這類智能材料可應用于應力傳感器、可切換催化劑系統(tǒng)，以及在藥物遞送等生物醫(yī)學領域發(fā)揮作用。

　　后續(xù)研究將聚焦二茂鐵及其他已合成但性能未充分開發(fā)的金屬力響應基團。過渡金屬力響應基團的研究尚屬空白，其合成難度也更高，上述計算工作流程有望拓展這類分子的研究邊界。

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