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Accelerating Polymer Discovery with Uncertainty-Guided PGCNN: Explainable AI for Predicting Properties and Mechanistic Insights

计算机科学 生化工程 数据科学 人工智能 工程类
作者
Shuyu Wang,Hongxing Yue,Xiaoming Yuan
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:64 (14): 5500-5509 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.4c00555
摘要

Deep learning holds great potential for expediting the discovery of new polymers from the vast chemical space. However, accurately predicting polymer properties for practical applications based on their monomer composition has long been a challenge. The main obstacles include insufficient data, ineffective representation encoding, and lack of explainability. To address these issues, we propose an interpretable model called the Polymer Graph Convolutional Neural Network (PGCNN) that can accurately predict various polymer properties. This model is trained using the RadonPy data set and validated using experimental data samples. By integrating evidential deep learning with the model, we can quantify the uncertainty of predictions and enable sample-efficient training through uncertainty-guided active learning. Additionally, we demonstrate that the global attention of the graph embedding can aid in discovering underlying physical principles by identifying important functional groups within polymers and associating them with specific material attributes. Lastly, we explore the high-throughput screening capability of our model by rapidly identifying thousands of promising candidates with low and high thermal conductivity from a pool of one million hypothetical polymers. In summary, our research not only advances our mechanistic understanding of polymers using explainable AI but also paves the way for data-driven trustworthy discovery of polymer materials.
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