麻省理工学院和杜克大学的研究人员表示，强化聚合物材料的新策略有望带来更耐用的塑料和合成纤维，并减少废弃物。
研究人员利用机器学习识别出可以添加到聚合物材料中的交联分子，使其在撕裂前能承受更大力量。这些交联剂属于一类被称为机械分子的分子，它们会根据机械力改变形状或其他性质。
麻省理工学院化学工程教授希瑟·库利克说：“这些分子有助于制造在受力时更强的聚合物。”“你给它们施加压力，而不是裂开或断裂，而是看到更强的韧性。”
铁矿
交联剂是含铁化合物，称为铁新烯，迄今为止其作为机械载体的潜力尚未被广泛探索。对单个机械团进行实验评估可能需要数周时间，但研究人员利用机器学习模型极大地加快了这一过程。
他们从剑桥结构数据库中的信息开始，该数据库包含了已合成的5000种不同铁新烯的结构。
麻省理工学院博士后伊利亚·凯夫利什维利解释道：“我们知道，至少从机械团本身的角度来看，我们不必担心合成的问题。”“这让我们能够选择一个非常大的空间进行探索，拥有丰富的化学多样性，并且还能通过合成实现。”
研究人员首先对约400种此类化合物进行了计算模拟，从而计算出将每个分子内原子拉开所需的力量。为此，他们寻找能够快速断裂的分子，因为这些薄弱环节可以使聚合物材料更抗撕裂。
扩展数据库
随后，他们利用这些数据以及每种化合物的结构信息，训练出机器学习模型。该模型能够预测激活机团所需的力，进而影响其抗撕裂能力，适用于数据库中剩余的4500种化合物，以及另外7000种与数据库中相似但部分原子重组的化合物。
研究人员发现了两个主要特征，似乎能增强抗撕裂能力。一是附着在铁新烯环上的化学基团之间的相互作用，二是铁新烯两环上都存在大型笨重分子，使得分子更容易在施加的力下断裂。
研究人员表示，虽然第一个特征并不令人意外，但第二个特征并非化学家事先能预测到的，且没有人工智能也无法被检测到。
更坚韧的塑料
研究人员确定了大约100个有潜力的候选材料后，杜克大学化学教授斯蒂芬·克雷格的实验室合成了一种聚合物材料，其中一种称为m-TMS-Fc。在材料内部，m-TMS-Fc充当交联剂，连接构成聚丙烯酸酯（一种塑料）的高分子链。
研究人员通过对每种聚合物施加力量直到撕裂，发现弱的m-TMS-Fc连接剂能形成一种强劲且抗撕裂的高分子。这种聚合物的韧性约是用标准铁色素作为交联剂的四倍。
凯夫利什维利说：“这确实有很大影响，因为考虑到我们使用的所有塑料和塑料废弃物的积累，材料变得更坚固，它们的使用寿命就会更长。”
研究人员现在希望利用机器学习方法识别具有其他理想特性的机载体，如能改变颜色或在力下产生催化活性。此类材料可用作应力传感器或可切换催化剂，也可用于生物医学应用，如药物递送。
库利克说：“过渡金属机械团相对研究不足，制造起来可能更具挑战性。”“这种计算流程可以广泛用于扩大人们研究过的机械团的空间。”
该研究由美国国家科学基金会分子优化网络化学中心（MONET）资助。
