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我院朱熹教授、博士研究生刘汝林在JPC Letters上发表研究成果

  • 2020.08.19
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近期,我院普适人工智能应用研究中心朱熹教授和博士研究生刘汝林分别以通讯作者和第一作者的身份,在美国化学学会知名期刊 JPC Letters上发表研究成果。

近期,我院普适人工智能应用研究中心朱熹教授和博士研究生刘汝林分别以通讯作者和第一作者的身份,在美国化学学会知名期刊 JPC Letters上发表了题为 “The Causal Inference Machine Learning Leads to Original Experimental Discovery in CdSe/CdS Core/Shell Nanoparticles” 的研究成果。

研究背景

近年来,Cd2+核壳型量子点以其低毒环保、高稳定性、高荧光性能等特点取得了重要的研究进展,正在逐渐取代单独的Cd2+量子点在各领域的应用。这种量子点的形貌与其有机配体以及合成温度非常相关,而其性质又和形貌息息相关。所以,如果要按需合成特定形貌的核壳量子点以得到指定的性质,必须要分析其形貌与配体和温度的因果关系。

传统的DFT(Density Functional theory)方法可以计算配体与量子点表面的相互作用以辅助了解这种因果关系;但是由于其温度设置在绝对零度,难以解释温度的影响。机器学习近年来在材料、化学中的应用逐渐成熟,已经有大量学者通过它完成了对材料性质的分析和预测。基于现有方法的缺陷和机器学习已经取得的成果,相信机器学习能够成为研究量子点形貌合成的有力工具。

本工作采用机器学习的方法发现了影响生长路线的决定性配体

研究概要

在本工作中,我们首先发现了一种蝌蚪形状的CdSe/CdS核壳结构,并通过机器学习的方法预测了新的合成方案和多尾蝌蚪形貌,成功地在实验中合成了新的样品。本文从因果关系的角度出发,使用统计中的SMD(standardized mean difference),定性地确定了实验变量中分别对蝌蚪尾巴产生和尾巴数量变化影响最大的配体;并采用神经网络定量地分析了尾巴数量和对应配体的数量关系,其结果与实验无二。除了配体,高温也是蝌蚪形貌产生的决定性因素。

因此,我们认为量子点形貌的生长机制是一个由熵主导的被动过程,并计算了量子点的表面熵作为参照,确定了相变的临界温度。根据给定的温度和生长机制,我们把传统的三维各向同性的成核生长理论普适到了低维度的情况,将蝌蚪的头尾生长简化成三维的球和一维的柱在同一个溶液环境中相互促进、竞争的过程。该各向异性模型的含时演变与实验结果很好地吻合,揭示了一种由熵主导的三阶段的成核机制。本文通过对熵主导量子点被动生长的探究,展示了机器学习技术在量子点合成研究中的良好应用和巨大潜力。

图a,由熵主导的生长机制变化;图b,成核模型和实验数据的对比。

作者介绍

        本文主要作者包括博士研究生刘汝林,目前他的研究方向是从事人工智能在材料交叉学科中的应用,在团队中负责理论模型搭建。其他作者还包括博士研究生李佳根和王树杰,同时还有南方科技大学和法国波尔多大学凝聚态物理化学研究所(ICMCB)的合作者。

        本文的通讯作者为朱熹教授,朱熹教授现为香港中文大学(深圳)助理教授、AIRS普适人工智能应用研究中心副主任。目前他的研究方向是人工智能技术在材料科学尤其是新能源领域中的应用,领导团队开发了基于智能机器人技术的加速新材料发现的MAOS系统,实现材料的“按需合成”,促进材料科学在AI时代的新发展。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c02115

① JPC Letters(The Journal of Physical Chemistry Letters)是由美国化学学会出版的经同行评审的科学期刊,杂志涵盖了物理化学各个方面的研究。该期刊在2020年的影响因子为6.710。