Expert-augmented machine learning to accelerate the discovery of copolymers for anion exchange membrane

共聚物 管道(软件) 计算机科学 离子交换 机器学习 理论(学习稳定性) 人工智能 化学空间 单体 算法 材料科学 聚合物 化学 离子 有机化学 药物发现 生物化学 程序设计语言
作者
Lunyang Liu,Yunqi Li,Jifu Zheng,H. Li
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier]
卷期号:693: 122327-122327
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2023.122327
摘要

We constructed an automated machine learning pipeline to screen the broad chemical space of candidate copolymers for anion exchange membranes (AEMs). The pipeline utilizes a genetic algorithm integrated twelve machine learning algorithms, to screen copolymers that are potentially capable to improve AEM performance through the evolution of polymer hydrophobic and hydrophilic backbones and cation groups. An exhaustive data mining accumulated 749 experimentally reported AEMs, then the pipeline automatically generated over 172 million hypothetical copolymers, and 2519 potential candidates were screened out according to their predicted performance metrics including the OH− conductivity, the conductivity – dimensional stability trade-off coefficient, and the LUMO of cations in Pareto frontier set. Expert experience was adopted in the construction of robust regression and classification predictive models, and the importance of physical, chemical and topological features were illustrated from Shapley additive explanations (SHAP) analysis. We have released a standalone software that integrates these predictive models and the screened copolymer candidates with predicted AEM performance metrics at https://github.com/polySML/polySML-AEM. This study can facilitate the development of advanced AEMs through rational design of copolymers.
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