華人博士生用AI破解十年材料發(fā)現(xiàn)困局，讓ZIF晶體發(fā)現(xiàn)效率翻倍

近日，師從新晉諾貝爾化學(xué)獎得主奧馬爾·亞吉（Omar M. Yaghi）、目前在美國加州大學(xué)伯克利分校讀博的榮自超，帶領(lǐng)一個跨國際的研究團(tuán)隊(duì)，打造出名為AIRES （algorithmic iterative reticular synthesis）的機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)的高通量實(shí)驗(yàn)平臺，在尋找一種名為沸石咪唑酯框架（ZIF）材料的晶體時，效率比隨機(jī)探索的方法提高了一倍，并將已知的單連接體鋅基 ZIF 材料庫直接擴(kuò)大三分之一，打破了領(lǐng)域內(nèi)長達(dá)十年的停滯。

（來源：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00939-9）

研究中，榮自超首先使用 8 種已報道的 ZIF 連接體分子與鋅離子反應(yīng)，進(jìn)行了共計 2688 次結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。其中，反應(yīng)條件（包括溫度，濃度，比例）從一個預(yù)先定義的反應(yīng)空間中均勻采樣，借此建立了一個包含成功與失敗數(shù)據(jù)的初始知識庫。

（來源：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00939-9）

然后，他挑選了 48 種全新的、從未被做成 ZIF 單晶的連接體分子作為探索目標(biāo)：

在 AIRES 組中，機(jī)器學(xué)習(xí)模型指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，僅用了大約 700 次實(shí)驗(yàn)就找到了 48 種新連接體中僅有的 10 種可形成 ZIF 單晶的連接體所對應(yīng)的結(jié)晶條件。該效率比隨機(jī)探索組提高了一倍。后者開展的是完全依靠運(yùn)氣的盲目嘗試，結(jié)果需要大約 1,400 次實(shí)驗(yàn)才能達(dá)成同樣的目標(biāo)。

這一對比不僅說明了 AIRES 擁有較高的效率，也表明在沸石咪唑酯框架這一看似已經(jīng)被高度探索的化學(xué)空間里，依然隱藏著許多等待發(fā)現(xiàn)的驚喜。在材料發(fā)現(xiàn)這一更宏觀的領(lǐng)域中，通過 AIRES 加速發(fā)現(xiàn)的新框架材料，可以幫助我們從空氣中收集飲用水、高效捕獲導(dǎo)致氣候變暖的二氧化碳，甚至用于制造更加清潔的能源。

榮自超告訴 DeepTech：“選擇 ZIFs 的原因主要有兩點(diǎn)：首先其結(jié)晶窗口較小，這意味著隨機(jī)嘗試的效率低，需要花費(fèi)大量資源才能找到正確的結(jié)晶條件。而且，這一化學(xué)空間除了生成 ZIF 外，還可能出現(xiàn)金屬有機(jī)配合物分子等其他副產(chǎn)物晶體。其次，對于不同的有機(jī)連接體，其成功的 ZIF 結(jié)晶條件和最終生成的 ZIF 晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的多樣性，僅憑人的直覺很難捕捉不同反應(yīng)體系之間的關(guān)聯(lián)。因此，這對我們驗(yàn)證 AIRES 平臺的有效性是一個很好的挑戰(zhàn)。”

（來源：榮自超）

AIRES 的五個組成部分

AIRES 具備發(fā)現(xiàn)-學(xué)習(xí)-再發(fā)現(xiàn)的智能循環(huán)，由五個部分組成。

（來源：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00939-9）

第一是自動化合成部分：這一部分主要包含一個液體分配機(jī)器人。它像一位精確的化學(xué)廚師，可以按照指令在不同的小型反應(yīng)容器中將金屬鹽、有機(jī)連接體和溶劑以不同的比例混合，，然后送入恒溫烘箱“烹飪”。

第二是圖像識別部分：反應(yīng)結(jié)束之后，高清自動光學(xué)顯微鏡會給每個反應(yīng)拍照。一個訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型會迅速地掃描這些照片，判斷里面是否長出合格的晶體。模型的識別依賴晶體的幾何形狀、顏色均勻度等特征，具有很高的晶體召回率，能夠幫助人們省去大量查看圖片的辛苦工作，尤其是在絕大多數(shù)結(jié)果都是失敗反應(yīng)的情況下，并能不遺漏包含合格晶體的照片。

第三是單晶 X 射線衍射：被上一步相中的候選晶體，會被送到衍射儀下進(jìn)行最終裁決。只有這里才能給出原子級別的精確結(jié)構(gòu)，從而據(jù)此來判斷是否是想要的新型 ZIF 材料。

第四是數(shù)據(jù)庫管理：這一部分負(fù)責(zé)將已經(jīng)嘗試過的反應(yīng)信息（包括反應(yīng)物，反應(yīng)條件，反應(yīng)結(jié)果）進(jìn)行歸納整理。為了更好地定量不同連接體對反應(yīng)結(jié)果的影響，團(tuán)隊(duì)通過量子化學(xué)手段設(shè)計了與實(shí)際結(jié)晶物理化學(xué)過程息息相關(guān)的描述符。

第五是算法決策：這也是 AIRES 的靈魂。在它的內(nèi)部運(yùn)行著機(jī)器學(xué)習(xí)模型（比如隨機(jī)森林），這個模型可以從之前所有成功和失敗的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，并能試圖找出什么樣的連接體分子特征和什么樣的反應(yīng)條件搭配，更有可能長出晶體。

AIRES 的目標(biāo)非常明確，那就是最大化地發(fā)現(xiàn)新晶體的數(shù)量。因此，算法總是最優(yōu)先建議實(shí)驗(yàn)?zāi)K去嘗試那個預(yù)測成功率最高的實(shí)驗(yàn)。為避免重復(fù)嘗試一些高度相似的成功結(jié)晶條件，一旦某個連接體成功生成了一個 ZIF 晶體，算法會及時將寶貴的實(shí)驗(yàn)資源用于探索其他尚未成功的連接體。

為了讓 AIRES 每次能夠執(zhí)行更多的批量實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)還設(shè)計了更高級的批量選擇算法。它不會簡單地選擇前 N 個最有可能的候選，而是會考慮候選反應(yīng)們的條件結(jié)晶概率，基于此計算一批實(shí)驗(yàn)整體能夠帶來多少新的發(fā)現(xiàn)期望值，從而更高效地利用每次實(shí)驗(yàn)機(jī)會。

（來源：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00939-9）

什么是網(wǎng)格材料？為什么我們需要它們？

前面提到榮自超是亞吉的學(xué)生，亞吉課題組主要以研究網(wǎng)格材料而出名。以大家都熟悉的樂高積木為例，使用不同的形狀和顏色的積木，可以搭建出城堡、飛船或者任何其他能夠想象出來的結(jié)構(gòu)。榮自超和他所在團(tuán)隊(duì)也在做類似的事情，但是他們使用的是原子級別和分子級別的積木。

他們使用金屬原子比如鋅作為連接點(diǎn)，使用有機(jī)分子作為“棍棒”，把它們按照精確的、重復(fù)的圖案連接起來，形成一種名為金屬有機(jī)框架的晶體材料。前面提到的沸石咪唑酯框架材料，便是這種材料的其中一類。

這些材料內(nèi)部充滿了納米級別的孔道和通道，就像是一個結(jié)構(gòu)極其精密的蜂巢，正是這些孔洞讓它們擁有了以下能力：

首先，它們可以作為吸附器，可以像海綿吸水一樣，有選擇性地抓住空氣中的水分子以用于干旱地區(qū)收集水資源，或者可以鎖住工業(yè)廢氣中的二氧化碳以用于減緩全球變暖。

其次，它們可以作為分子篩，其所擁有的不同大小的孔洞可以只讓特定的氣體或液體分子通過，從而用于分離混合物，比如提純天然氣等。

再次，它們可以作為微型反應(yīng)器，它們的孔洞可以作為“房間”，讓化學(xué)反應(yīng)在里面更高效、更清潔地警醒。

然而，要想真正讓這些能力發(fā)揮作用，就必須得到高質(zhì)量的晶體。這能保證框架材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的一致性和有序性。另一方面，通過單晶 X 射線衍射，我們能解析材料內(nèi)部每個原子的精確位置，也就是給晶體拍攝一張原子級別的三維高清照片，以便能夠理解它的結(jié)構(gòu)，以及精準(zhǔn)預(yù)測和設(shè)計它的性能。

發(fā)現(xiàn) 10 種連接體，生成 7 種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過 AIRES 發(fā)現(xiàn)的 10 種連接體，生成了 11 種全新的晶體，歸屬于 7 種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。有些新連接體在不同于已有文獻(xiàn)的溶劑中，形成了經(jīng)典的方鈉石型和方沸石型結(jié)構(gòu)。

（來源：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00939-9）

同時，更多的連接體帶來了全新的結(jié)構(gòu)。例如，在由 5-溴咪唑形成的 ZIF-A6 之中，展現(xiàn)出一種前所未有的雙層結(jié)構(gòu)，兩層金屬節(jié)點(diǎn)被連接體進(jìn)行了共價橋聯(lián)，而這在 ZIF 化學(xué)中也是一個全新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

特別值得一提的是，5-溴咪唑和 4-氰基咪唑這兩種新的連接體分別形成了 crb 和 DFT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而在過去，它們被認(rèn)為只能由最簡單的、沒有任何取代基的咪唑連接體形成。現(xiàn)在，帶有單個取代基的連接體也能搭建出這些結(jié)構(gòu)，這刷新了人們對于 ZIF 結(jié)構(gòu)設(shè)計的認(rèn)知。

不僅如此，復(fù)雜的配位化學(xué)反應(yīng)還帶來了意外收獲。即 AIRES 還發(fā)現(xiàn)了四種連接體，它們沒有形成預(yù)期的三維 ZIF，而是形成了層狀 ZIF。在這些結(jié)構(gòu)中，溶劑分子等配角與連接體這一主角，針對金屬的配位點(diǎn)形成了競爭，從而形成了二維層狀結(jié)構(gòu)，這說明 AIRES 的機(jī)器學(xué)習(xí)模型捕捉到了配位化學(xué)的一些基本規(guī)律。

參考資料：

相關(guān)論文 https://doi.org/10.1038/s44160-025-00939-9

運(yùn)營/排版：何晨龍