近日，日本理化學(xué)研究所(RIKEN)化學(xué)家展示了一種新型分子設(shè)計策略，通過結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和量子化學(xué)方法，制造了六種熒光化合物。

新的分子設(shè)計方法預(yù)測了8種化合物會發(fā)出熒光，其中6個在紫外線照射下會發(fā)出熒光(圖中顯示了5個)，包括一種以前沒有報道過的化合物(未在圖中顯示)，圖片來自日本理化學(xué)研究所(RIKEN)

在熒光分子實(shí)驗(yàn)中，前述方法合成目標(biāo)分子成功率達(dá)75%，有望大幅節(jié)省在實(shí)驗(yàn)室中制造和測試化合物的時間。

傳統(tǒng)的分子設(shè)計方法是先從一個性能接近理想的分子開始，然后通過實(shí)驗(yàn)，反復(fù)試錯來改進(jìn)分子。這樣的方法不僅耗時，并且存在偶然性，無法保證最終得到的分子就是最佳分子。

長期以來，化學(xué)家一直想要扭轉(zhuǎn)前述情況。他們希望能夠從期望的分子特性出發(fā)，搜索所有可能的分子，并找到符合要求的分子。但可獲得的數(shù)據(jù)中，僅包含所有分子的極小一部分。

圖片來自《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)

此次，日本理化學(xué)研究所高級智能項目中心Masato Sumita和同事展示了一種新的策略，使搜索全部分子成為可能，并且不需要單獨(dú)制造每種化合物。相關(guān)成果近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)。

前述團(tuán)隊使用了一種全新的分子發(fā)生器，其利用機(jī)器學(xué)習(xí)來根據(jù)所需特性，給出可用分子的建議。然后，通過執(zhí)行量子化學(xué)計算的模擬器來預(yù)測分子特性，并在指定計算時間內(nèi)循環(huán)重復(fù)這些步驟，以找到符合條件的分子。

熒光分子生成的工作流程，圖片來自論文

為了證明前述方法是否有效，研究小組通過該方法來尋找能發(fā)出肉眼可見波長熒光的分子。經(jīng)過五天的數(shù)字運(yùn)算，計算機(jī)得出了3600多個候選分子。團(tuán)隊挑選了其中八種進(jìn)行合成，發(fā)現(xiàn)其中六種是熒光的，其中包括一種從未報道過的熒光化合物。

“這是首次將新分子發(fā)生器與量子化學(xué)計算相結(jié)合，以用于發(fā)現(xiàn)熒光分子。”日本理化學(xué)研究所化學(xué)家Masato Sumita說道，“我對這種方法的高成功率感到非常驚訝。當(dāng)我們在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分子合成時，8個候選分子中有75%發(fā)出了熒光。”

日本理化學(xué)研究所高級智能項目中心化學(xué)家Masato Sumita，圖片來自日本理化學(xué)研究所(RIKEN)

尋找熒光分子是對前述方法的嚴(yán)格測試。因?yàn)榕c光吸收等更簡單的分子性質(zhì)不同，熒光是一種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象，包含多步驟的過程，因此很難從分子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行預(yù)測。

未來，前述團(tuán)隊打算將機(jī)器學(xué)習(xí)和量子化學(xué)相結(jié)合的新方法，應(yīng)用到研究其他化學(xué)性質(zhì)上，并試圖用其同時優(yōu)化多種化學(xué)特性。