Machine learning hybrid approach for the prediction of surface tension profiles of hydrocarbon surfactants in aqueous solution

过度拟合 表面张力 计算机科学 特征(语言学) 碳氢化合物 水溶液 生物系统 化学 人工智能 机器学习 人工神经网络 热力学 有机化学 语言学 哲学 物理 生物
作者
Dale Seddon,Erich A. Müller,João T. Cabral
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:625: 328-339 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2022.06.034
摘要

Predicting the surface tension (SFT)-log(c) profiles of hydrocarbon surfactants in aqueous solution is computationally non-trivial, and empirically challenging due to the diverse and complex architecture and interactions of surfactant molecules. Machine learning (ML), combining a data-based and knowledge-based approach, can provide a powerful means to relate molecular descriptors to SFT profiles.A dataset of SFT for 154 model hydrocarbon surfactants at 20-30 °C is fitted to the Szyszkowski equation to extract three characteristic parameters (Γmax,KL and critical micelle concentration (CMC)) which are correlated to a series of 2D and 3D molecular descriptors. Key (∼10) descriptors were selected by removing co-correlation, and employing a gradient-boosted regressor model to rank feature importance and carry out recursive feature elimination (RFE). The hyperparameters of each target-variable model were fine-tuned using a randomised cross-validated grid search, to improve predictive ability and reduce overfitting.The ML models correlate favourably with test experimental data, with R2= 0.69-0.87, and the merits and limitations of the approach are discussed based on 'unseen' hydrocarbon surfactants. The incorporation of a knowledge-based framework provides an appropriate smoothing of the experimental data which simplifies the data-driven approach and enhances its generality. Open-source codes and a brief tutorial are provided.
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