Machine learning enables interpretable discovery of innovative polymers for gas separation membranes

聚合物 忠诚 磁导率 合成膜 计算机科学 化学 生化工程 人工智能 材料科学 纳米技术 工程类 有机化学 电信 生物化学
作者
Jason Yang,Lei Tao,Jinlong He,Jeffrey R. McCutcheon,Ying Li
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:8 (29): eabn9545-eabn9545 被引量:213
标识
DOI:10.1126/sciadv.abn9545
摘要

Polymer membranes perform innumerable separations with far-reaching environmental implications. Despite decades of research, design of new membrane materials remains a largely Edisonian process. To address this shortcoming, we demonstrate a generalizable, accurate machine learning (ML) implementation for the discovery of innovative polymers with ideal performance. Specifically, multitask ML models are trained on experimental data to link polymer chemistry to gas permeabilities of He, H2, O2, N2, CO2, and CH4. We interpret the ML models and extract valuable insights into the contributions of different chemical moieties to permeability and selectivity. We then screen over 9 million hypothetical polymers and identify thousands that lie well above current performance upper bounds, including hundreds of never-before-seen ultrapermeable polymer membranes with O2 and CO2 permeability greater than 104 and 105 Barrers, respectively. High-fidelity molecular dynamics simulations confirm the ML-predicted gas permeabilities of the promising candidates, which suggests that many can be translated to reality.
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