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11月1日，美國化學(xué)工程師協(xié)會期刊（AIChE Journal）發(fā)表了大連理工大學(xué)化工學(xué)院都健教授團隊在“機器學(xué)習(xí)加速預(yù)測分子表面電荷密度分布及其在化工反應(yīng)與傳質(zhì)中的應(yīng)用”方面取得的突破性進展。該成果提出了基于機器學(xué)習(xí)的原子貢獻法，通過利用高維的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與立體的加權(quán)原子中心對稱函數(shù)描述符，構(gòu)建了可快速預(yù)測分子表面電荷密度分布（σ-profiles）的代理模型，σ-profiles作為類導(dǎo)體屏蔽片段活度系數(shù)模型（COSMO-SAC）的輸入，可預(yù)測活度系數(shù)等溶劑性質(zhì)，并將其和計算機輔助分子設(shè)計方法（CAMD）集成，實現(xiàn)了反應(yīng)溶劑與結(jié)晶溶劑高通量反向（從物性到結(jié)構(gòu)）優(yōu)化設(shè)計的目標。基于機器學(xué)習(xí)的原子貢獻法示意圖如圖1所示。該成果發(fā)表在化學(xué)工程領(lǐng)域TOP期刊AIChE Journal, https://doi.org/10.1002/aic.17110。

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圖1. 基于機器學(xué)習(xí)的原子貢獻法示意圖

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課題組之前和產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)的三項研究成果（計算機輔助分子設(shè)計方法（CAMD）、反應(yīng)溶劑、結(jié)晶溶劑）為此次研究工作奠定了基礎(chǔ)。針對分子設(shè)計問題，課題組提出了計算機輔助分子設(shè)計方法（CAMD），開發(fā)了基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)優(yōu)化模型與分解式求解策略的OptCAMD工具，可離線反向優(yōu)化設(shè)計滿足特定目標函數(shù)與性質(zhì)約束的溶劑分子結(jié)構(gòu)，并已申請軟件著作權(quán)：OptCAMD基于數(shù)學(xué)優(yōu)化模型的高通量化工分子產(chǎn)品設(shè)計軟件(2019SR0734574)，批準號[04254458]，論文成果發(fā)表在JCR一區(qū)Computers & Chemical Engineering, 2019, 124, 285-301, https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2019.01.006，并受邀在Current Opinion in Chemical Engineering期刊（IF = 4.088）發(fā)表產(chǎn)品設(shè)計綜述文章 (2020, 27, 22-34, https://doi.org/10.1016/j.coche.2019.10.005)。

關(guān)于反應(yīng)溶劑建模問題，課題組針對液—液均相有機反應(yīng)與液—液異相有機反應(yīng)，分別考察了溶劑化效應(yīng)（化學(xué)層面）和傳質(zhì)作用（物理層面）對反應(yīng)動力學(xué)速率k和反應(yīng)體系濃度分布的影響，實現(xiàn)了快速、準確、定量調(diào)控反應(yīng)效率的目標，同時也考慮了反應(yīng)溶劑的惰性問題，利用反應(yīng)位點模板與基于基團貢獻法的反應(yīng)熱力學(xué)模型，實現(xiàn)快速、準確、定量預(yù)測反應(yīng)溶劑與反應(yīng)體系（反應(yīng)物與產(chǎn)物）熱力學(xué)平衡常數(shù)K的目標，從而判斷反應(yīng)溶劑是否為惰性。前兩項成果均發(fā)表在化學(xué)工程領(lǐng)域TOP期刊Chemical Engineering Science (2019, 202, 300-317, https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.03.023; 2020, 226, 115894, https://doi.org/10.1016/j.ces.2020.115894)，反應(yīng)溶劑惰性研究成果發(fā)表在化學(xué)工程領(lǐng)域期刊Chemical Engineering Research and Design (2019, 152, 123-133, https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.09.018。

此外，關(guān)于結(jié)晶溶劑建模問題，課題組針對冷卻結(jié)晶過程，建立了考慮過程、溶劑性質(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量、成本、定價、經(jīng)濟、環(huán)境等因素的大宗產(chǎn)品設(shè)計（GPD）模型，針對不同的結(jié)晶過程給出相應(yīng)的模型求解策略，最后以2-巰基苯并噻唑（MBT）結(jié)晶過程為例，以純度和收率為目標函數(shù)，通過建立并求解GPD模型，最終得到滿足要求的結(jié)晶溶劑，該項研究目前實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，研究成果發(fā)表在JCR一區(qū)Computers & Chemical Engineering, 2020, 135, 106764, https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2020.106764。

上述研究成果第一作者包括張磊副教授、博士生劉奇磊、博士生柴士陽，通訊作者為都健教授、張磊副教授。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（No. 22078041、No. 21808025）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（No. DUT20JC41）的支持。