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研究与创新

科大破解界面聚合加速机制

人工智能助力实现微胶囊可预测设计

09 产业、创新和基础设施
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科大研究团队,包括机械及航空航天工程学系教授杨晶磊教授(右二)、博士后研究员刘碧媛(左一)、张雍淋(左二)以及博士候选人韩昱子(右一),发现界面聚合背后的量子机制与理性设计原则——这项突破将推动海水淡化与微胶囊技术的应用发展。

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水分子促进界面聚合反应中的质子转移。

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物理介导的微胶囊数据驱动设计平台。

香港科技大学(科大)研究团队在界面聚合领域取得两项重大突破,为制备先进功能材料提供关键方法。通过结合量子力学与机器学习,团队揭示水分子如何在分子层面促进反应的机制;同时成功将微胶囊设计由传统试错模式,转化为可预测的科学方法。

这两项研究展现了基本机制洞见与数据驱动方法如何相辅相成,凸显两者在推动界面聚合研究上的协同效应。相关研究由科大机械及航空航天工程学系教授杨晶磊教授的团队与加州理工学院、中国科学院及香港中文大学(深圳)合作完成,成果发表于《ACS Catalysis》,论文题为〈Interfacial Polymerization of TEPA and HMDI: The Role of Water〉,并同时刊登于《Advanced Materials》,题为〈Programming Interfacial Polymerization: Machine Learning Unveils Quantitative Rational Design Rules for Microcapsules and Beyond〉。其中前者的共同第一作者为杨教授团队的博士后研究员刘碧媛博士与张雍淋博士,后者的独立第一作者为杨教授团队的博士候选人韩昱子

在其中一项研究中,团队探讨胺与异氰酸酯为何能在水油界面迅速反应。通过量子力学计算,研究人员发现单一水分子可充当质子转移的桥梁,大幅降低反应所需能垒。这项原子尺度的发现揭示了水的催化作用,亦为调控反应速率及聚合物形貌奠定理论基础。

杨教授指出:“这项研究为水分子如何在分子层面促进界面聚合提供直接证据。有效掌握这个机制,是调控反应动力学及所得薄膜纳米形貌的关键。”

在同一系列研究中,团队针对界面聚合微胶囊化长期依赖经验配方的挑战,建立综合实验数据库,结合可解释符号机器学习算法,首次构建量化设计准则,以解析化学性质、物理化学场、微观结构与性能之间的复杂因果关系。此方法进一步揭示影响封装效率、粒径以及壳层厚度与形貌的理性设计规则,使具特定性质与功能的微胶囊可被程序化设计。

杨教授表示:“我们将微胶囊化从经验驱动的工艺转变为可预测的科学。我们的AI驱动平台使我们能根据底层物理化学设计原则,理性设计出具有量身定制特性的微胶囊,应用范围从自愈材料到药物递送系统,极为广泛。”

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