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利用主动学习加速OLED材料的设计与优化

引言

OLED(有机发光二极管)被广泛应用于智能手机、电视屏幕、电脑显示器和游戏机等数字显示设备中。它们含有具有独特电子结构的有机分子,通过一种称为电致发光的过程,在可见光谱范围内产生光。 要使OLED具有商业价值,它必须满足多项要求,包括高效率、低成本制造以及长期运行所需的良好电化学稳定性,这使得新型OLED材料的发现成为一项具有挑战性的课题。

 

挑战

分子建模 模拟 等工具已在材料发现领域证明其有效性,并越来越多地应用于工业研发中。尽管与传统的实验方法相比,数字模拟为研发工作流程节省了大量时间,但仍存在一些挑战:

  • 化学空间 在材料设计与发现方面具有巨大的潜力,即使对于受限条件极严苛的问题也是如此
  • 基于密度泛函理论(DFT )计算的预测往往费时且计算成本高昂,这限制了在固定时间范围和资源条件下可评估的候选方案数量。
  • 要保持较高的准确度以正确评估材料的复杂性,是一项挑战。

 

解决方案:主动学习工作流

需要一种新方法来引导科学家找到表现最佳或最有用的候选物。 得益于一种名为“主动学习”(AL)的机器学习(机器学习(ML) ,ML)范式的应用,Schrödinger 已使这一问题变得易于解决。最近,Schrödinger 开发了主动学习工作流,该工作流利用了基于物理理论 模拟与机器学习(ML) 之间的协同作用,用于预测光电特性。该主动学习工作流使科学家能够以更高效、更具成本效益的方式,聚焦于给定样本空间中“表现最佳”的部分。该工作流允许:

  • 只需用户最少输入即可实现自动主动学习计算
  • 在材料发现过程中同时考虑多个光电参数
  • 将主动学习与DFT 相结合,以高效识别具有最优性能的材料
  • 利用内置描述符和指纹对化学结构进行特征提取
  • 利用自适应设计方法构建高性能机器学习模型
  • 尽量减少耗时的基于物理理论 计算次数
““AL工作流能够加速光电子材料的设计与发现。该工作流完全自动化,显著减少了用于预测庞大材料库中材料性质的基于物理理论 模拟次数。数据集的快速筛选 有助于更好地理解结构-功能关系,从而更高效地系统化设计和应用光电子材料。””
哈迪·阿布罗尚 资深科学家,Schrödinger

案例研究

Schrödinger 团队近期发表在《Frontiers in Chemistry》上并在2022年SID-Display Week上展示的研究,验证了主动学习范式在OLED材料发现中的应用。1,2

为了探索适用于OLED的最佳空穴传输分子,科学家们利用自动化主动学习工作流对9,000种分子进行了筛选。初始训练集包含50种分子,针对这些分子开发了机器学习(ML) 模型,该模型支持高效的多参数优化 (MPO)。随后,利用该机器学习模型对剩余的8,950种分子进行了预测,每种分子的预测仅需几分之一秒。 选取MPO得分较高且不确定性较大的前50个分子进行DFT 计算,并将计算结果输入到机器学习模型的下一轮迭代训练中。在10轮迭代中,主动学习的训练集规模从50个分子逐步扩大至550个分子。

主动学习就是不断重复这些步骤,直到DFT 计算出的数据与机器学习(ML) 预测出的数据以足够的精度收敛。通过采用主动学习方法,科研团队对材料库的化学空间 进行筛选的速度比传统昂贵的量子力学计算方法快了18倍,从而节省了大量时间和资源。

 

主动学习工作流

用于新型OLED材料设计与发现的自动化主动学习工作流示意图
用于新型OLED材料设计与发现的自动化主动学习工作流示意图

参考文献

  1. 主动学习加速了用于有机电子 的空穴传输材料的设计与优化 Hadi Abroshan、H. Shaun Kwak、Yuling An、Christopher Brown、Anand Chandrasekaran、Paul Winget 和 Mathew D. Halls,《Front. Chem.》,2022,9,800371
  2. 基于主动学习的新型OLED材料设计 哈迪·阿布罗尚、阿南德·钱德拉塞卡兰、保罗·温格特、安玉玲、肖恩·克瓦克、克里斯托弗·T·布朗、森里次国和马修·D·霍尔斯,《SID研讨会技术论文摘要》,2022,53,885-888

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