研究背景
随着半导体、储能和航空航天等领域的发展，介电材料的需求也急剧增加。聚酰亚胺 (PI) 具有出色的机械性能、合理的介电损耗和较高的击穿强度，是储能领域的重要介电材料之一。
然而，由于 PI 包含许多高度共轭结构，导致传导损耗随着温度和电场的升高而呈指数级增长；同时，不同领域所需的介电材料的耐高温性能和介电性能等目标各不相同。因此，仅依赖人工设计结构、实验测量性质的方式难以应对日益增加的新型介电材料需求。
研究内容
图 1. 新型高介电常数 (ε) 可合成聚酰亚胺 (PI) 的 “设计-发现-评估 ”方案。包括：（1）建立与频率相关的 ε 定量结构-性能关系（QSPR）模型;（2）提出 “逆向生成组合设计”方法建立虚拟结构库;（3）提出采用原子邻接基团（AAG）表示法评估高通量筛选结果的可靠性;（4）利用分子动力学（MD）方法验证候选 PI 的 ε。其中，应用 QSPR 模型对已建立的虚拟结构库进行高通量筛选，以获得具有高 ε 的候选 PI;借助 AAG 评估的模型适用结构域，以确认高通量筛选结果的可靠性。
图 2. 具备可合成性的新型聚酰亚胺 (PI) 虚拟库的开发过程。
该工作首先提出了一种“逆向生成组合设计”方法来开发具备可合成性的新型 PI 虚拟库。通过收集已报道的 PI，将其结构近似为环状重复单元（RRU），拆分为二胺和二酐分子，然后将二胺和二酐分子虚拟缩聚，组合生成了 102270 种新型 PI。建立频率相关的 ε-QSPR 模型，用于筛选上述虚拟库中具有潜在高 ε 的新型 PI。所建立的 ε-QSPR 模型 R2 为 0.9768，QLOPO2 和 QLODPO2 分别为 0.9654 和 0.9743，证实模型具备良好的预测性和稳定性。
图 3. a 将原子邻接基团（AAG）方法用于评估高通量筛选结果可靠性流程示意；b 应用 AAG 评估高通量筛选虚拟库可靠性的结果；c 被评为“高可靠性”的 PI 在六个特定频率（101 Hz、102 Hz、103 Hz、104 Hz、105 Hz 和 106 Hz）上的介电常数 (ε) 分布统计。
考虑到所设计的大量新型 PI 结构有可能超出模型可预测的结构范围，因此将先前工作提出的原子邻接基团（AAG）方法用于评估高通量筛选结果的可靠性。根据建模数据集中结构的 AAG 分布情况，对虚拟库中的 102270 个 PI 进行了 AAG 分析。结果如图 3b 所示，被评为“高可靠性”的 PI 的 ε-频率关系曲线的 k 值小于 0，与实际情况相符，b 值在 2 到 7 之间，与建模数据集的 ε 范围（即 1.49 到 6.53）偏离较小。相较之下，被评估为“低可靠性”和“中可靠性”的 PI 的 ε-频率关系曲线的异常值过多。结合高通量筛选和 AAG 分析的结果，该工作确定了 9 种具有高 ε 和“高可靠性”的新型 PI。并通过分子动力学 (MD) 模拟和玻璃化转变温度 (Tg) 模型验证及预测了它们的 ε 和 Tg。
该工作所提出的基于 AAG 评估高通量筛选结果可靠性的方式进一步减轻了新型材料的验证工作；同时，所提出的“设计-发现-评估”方案有可能用于设计其他线性缩聚聚合物。
论文信息
Data science-centric design, discovery, and evaluation of novel synthetically accessible polyimides with desired dielectric constants Mengxian Yu, Qingzhu Jia, Qiang Wang, Zheng-Hong Luo, Fangyou Yan*（闫方友，天津科技大学）, Yin-Ning Zhou*（周寅宁，上海交通大学） Chem. Sci., 2024, 15, 18099–18110
https://doi.org/10.1039/D4SC05000B
作者简介
本文通讯作者，上海交通大学化学化工学院研究员，博士生导师。主要研究领域为计算机辅助的聚合反应机理辨析、聚合反应强化原理及精确聚合物与新型催化剂设计研究。
期刊介绍
rsc.li/chemical-science
Chem. Sci.
| 2-年影响因子* | 7.6分 |
| 5-年影响因子* | 8.0分 |
| JCR 分区* | Q1 化学-综合 |
| CiteScore 分† | 14.4分 |
| 中位一审周期‡ | 33 天 |
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Editor-in-Chief
Andrew Cooper
🇬🇧 利物浦大学
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