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  新材料的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。本文提出了一種閉環(huán)材料發(fā)現(xiàn)工作流程，結(jié)合高通量合成、自動(dòng)化表征和機(jī)器學(xué)習(xí)，快速篩選出具體特定屬性的有機(jī)半導(dǎo)體材料。這一創(chuàng)新工作流極大地加速了材料發(fā)現(xiàn)的速度，僅用幾個(gè)月就發(fā)現(xiàn)了性能卓越的分子，并實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證效率25.9%的鈣鈦礦電池。這項(xiàng)工作不僅為太陽能材料的開發(fā)提供了新思路，也為其他領(lǐng)域的研究開辟了全新可能性。

新材料如何塑造未來？

  從硅到鋰電池，從有機(jī)半導(dǎo)體到高分子光電材料，材料科學(xué)的突破始終驅(qū)動(dòng)著技術(shù)革命。然而，傳統(tǒng)材料開發(fā)依賴科學(xué)家大量的時(shí)間和試錯(cuò)過程，通常需要數(shù)十年的努力。

  近年來，隨著人工智能和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們開始探索更高效的材料開發(fā)方法。通過機(jī)器學(xué)習(xí)分析海量數(shù)據(jù)，并結(jié)合自動(dòng)化合成和表征，材料科學(xué)正邁向一個(gè)前所未有的高效時(shí)代。

  閉環(huán)自動(dòng)化材料發(fā)現(xiàn)工作流由以下五個(gè)部分組成：

  1.虛擬數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建與分子庫的合成：根據(jù)設(shè)計(jì)原則生成初步的分子集合；

  2.密度泛函理論（DFT）計(jì)算：提取分子的關(guān)鍵描述符；

  3.高通量有機(jī)合成與光電表征：快速獲取大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

  4.器件及半器件的制備與表征：評(píng)估材料的實(shí)際性能；

  5.機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練與迭代優(yōu)化：通過不斷更新模型，提高預(yù)測(cè)精度和發(fā)現(xiàn)效率。

  構(gòu)建用于訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型的初始數(shù)據(jù)庫是關(guān)鍵的一步，其核心原則是分子多樣性。多樣性的分子結(jié)構(gòu)能夠確保模型不偏向某些局部特征，而能廣泛捕捉影響材料性能的關(guān)鍵因素。

  為了構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，本文選擇了一組能充分反映器件性能差異的描述符，而非依賴于特定的假設(shè)。這些描述符包括：

  ·分子統(tǒng)計(jì)：例如原子種類數(shù)、芳香鍵數(shù)目和特定官能團(tuán)的分布；

  ·理論計(jì)算特征：如溶解度對(duì)數(shù)值、分子軌道能級(jí)（HOMO/LUMO）、偶極矩以及幾何性質(zhì)（如旋轉(zhuǎn)常數(shù)）。

  為了驗(yàn)證機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)新分子性能的能力，作者進(jìn)行了兩輪閉環(huán)材料優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。這一過程包括：

  1.通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型和貝葉斯選擇標(biāo)準(zhǔn)，篩選出潛在候選分子；

  2.自動(dòng)化合成這些分子；

  3.進(jìn)行器件表征，并用新數(shù)據(jù)更新模型。

  為了深入理解機(jī)器學(xué)習(xí)模型的學(xué)習(xí)機(jī)制，并找出影響器件性能的關(guān)鍵物理參數(shù)，本文進(jìn)一步進(jìn)行了以下分析：

  1.分子描述符的重要性：分析哪些描述符對(duì)模型的預(yù)測(cè)性能最為關(guān)鍵；

  2.模型泛化能力評(píng)估：評(píng)估描述符對(duì)未見過的結(jié)構(gòu)單元和新分子的預(yù)測(cè)能力；

  3.實(shí)驗(yàn)觀測(cè)對(duì)模型性能的影響：探索其他可能影響性能的特性（如PCE與器件參數(shù)的關(guān)系），以尋找潛在的中間測(cè)量指標(biāo)，從而加速實(shí)驗(yàn)迭代。

  最后，為了幫助化學(xué)家和材料科學(xué)家更直觀地理解研究結(jié)果，作者用化學(xué)語言解讀了機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)果。比如，通過分析三苯胺的存在與否、TPSA（拓?fù)錁O性表面積）、雜原子和取代基位置等因素，可以快速縮小分子結(jié)構(gòu)選擇范圍，從而優(yōu)化材料設(shè)計(jì)。

  論文信息：

  標(biāo)題：Inverse design workflow discovers hole-transport materials tailored for perovskite solar cells

  第一作者：武建昌，Luca Torresi, 胡曼曼, Patrick Reiser

  通訊作者：武建昌，王露遙，Sang Il Seok, Pascal Friederich, Christoph J. Brabec

  通訊單位：德國(guó)赫姆霍茲研究所 (Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg)，埃爾朗根-紐倫堡大學(xué) （Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg），廈門大學(xué)，韓國(guó)蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)院，卡爾斯魯厄理工學(xué)院

  https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0901