質(zhì)子交換膜是決定燃料電池能量/功率密度、循環(huán)壽命等的核心部件，也是當前燃料電池汽車亟需進一步發(fā)展的關(guān)鍵材料。目前商業(yè)化應(yīng)用以及研究的參照主要是杜邦公司生產(chǎn)的Nafion全氟磺酸膜。雖然Nafion膜具有非常鮮明的優(yōu)缺點，開發(fā)Nafion復(fù)合膜和新的非氟聚合物質(zhì)子交換膜是高分子材料研發(fā)的前沿。中國科學院長春應(yīng)用化學研究所高分子材料結(jié)構(gòu)與大數(shù)據(jù)課題組圍繞質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)解析、組成工藝性能數(shù)據(jù)庫和機器學習預(yù)測模型構(gòu)建，明晰了Nafion和非氟聚合物質(zhì)子交換膜的結(jié)構(gòu)特征，基于定量的組成-工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，給出了開發(fā)高性能質(zhì)子交換膜的可檢驗性指導。
首先，通過對Nafion具有特氟龍主鏈和磺酸根側(cè)基的高分子進行了量子化學計算-分子力場和非球?qū)ΨQ粗；Ｐ偷木_構(gòu)建，結(jié)合GPU加速的分子動力學模擬，構(gòu)建了Nafion膜的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過類似電鏡投影和小角散射曲線計算，得到了與實驗一致的結(jié)果，在模擬上首次全面再現(xiàn)了Nafion這種無序相分離結(jié)構(gòu)的五個特征（Assembled Structures of Perfluorosulfonic Acid Ionomers Investigated by Anisotropic Modeling and Simulations. J. Phys. Chem. B 2017, 121:9718）[1]。
其次，通過對300余篇關(guān)于Nafion質(zhì)子交換膜的原始研究論文開展了數(shù)據(jù)挖掘和機器學習研究，厘清了質(zhì)子傳導率和水在膜中的分布，并擬合出了熱力學理論參數(shù)。進一步在復(fù)合材料對性能的可靠預(yù)測模型基礎(chǔ)上，分析并明確了具有商業(yè)應(yīng)用價值的復(fù)合填充材料選擇，和匹配的優(yōu)化制膜工藝方案（An Overview of the Proton Conductivity of Nafion Membranes through a Statistical Analysis. J. Membr. Sci. 2016, 504, 1; A Statistical Study of Proton Conduction in Nafion®-Based Composite Membranes: Prediction, Filler Selection and Fabrication Methods. J. Membr. Sci. 2018, 549, 393）[2][3]。
近期，通過對2800多篇文獻的數(shù)據(jù)挖掘，梳理出含有166種親水嵌段和175種疏水嵌段的高分子，基于可靠的性能預(yù)測模型，高通量篩選了26萬余種兩嵌段高分子，從中找到了2800余種具有優(yōu)于當前商業(yè)燃料電池汽車所用高分子Nafion 117的綜合性能，將為新的高性能質(zhì)子交換膜材料設(shè)計和制備提供切實指導（Rational design of hydrocarbon-based sulfonated copolymers for proton exchange membranes. J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA00688E）[4]。
這些高分子材料大數(shù)據(jù)的研究還僅僅是個開始，在數(shù)萬億的商業(yè)背景下，高分子材料是實現(xiàn)綠色環(huán)保、個性化和智能化的關(guān)鍵。在達到目標性能要求的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)材料和制備工藝最優(yōu)化，預(yù)測和指導極端使用條件下高分子材料的極限性能實現(xiàn)，包含數(shù)據(jù)挖掘和機器學習的高分子材料大數(shù)據(jù)研究，大有可為。同時也應(yīng)看到，雖然材料領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)研究近年來取得了一系列令人矚目的報道，但在高分子材料方面的成果卻屈指可數(shù)。（材料基因組學的發(fā)展現(xiàn)狀、研究思路與建議 中國科學:化學 2018, 48, 243-255）[5]。研究思路、核心技術(shù)、預(yù)測模型驗證方案和可解釋性，特別是清晰的材料多層次結(jié)構(gòu)信息，非常稀缺難得。我們該系列研究初步探索出了高分子材料大數(shù)據(jù)的可行研究思路，期望能夠促進數(shù)據(jù)驅(qū)動創(chuàng)新這一研究范式在高分子材料的基礎(chǔ)和前沿研發(fā)的有效融合。
中科院長春應(yīng)化所高分子材料結(jié)構(gòu)與大數(shù)據(jù)課題組PI為李云琦研究員，曾獲中國科學院百人計劃A類支持（結(jié)題優(yōu)秀）。李云琦研究員曾在南京大學化學系、高分子化學與物理國家重點實驗室?guī)煆陌擦⒓言菏繉W習，之后在堪薩斯大學結(jié)構(gòu)生物學中心、應(yīng)用生物信息學實驗室以及羅格斯大學食品系學習工作，其多學科的背景為高分子材料的大數(shù)據(jù)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。課題組成員陳文多副研究員和博士研究生劉倫洋主導開展了這一系列工作。
該系列工作得到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2015CB655302），國家自然科學基金（21374117，21404105，21774128）以及中國科學院前沿科學重點研究項目（QYZDY-SSW-SLH027）支持。
論文鏈接
[1]https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.jpcb.7b06412
[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738815304105?via%3Dihub
[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738817318409?via%3Dihub
[4]https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA00688E
[5]http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSC/48/3/10.1360/N032017-00182?slug=fulltext
