來自河南省焦作市武陟縣北郭鄉(xiāng)的武建昌，走出了一條科研逆襲之路。從本科就讀于南陽師范學院，到碩士和博士先后畢業(yè)于中國科技大學和北京大學，再到在 Science 主刊發(fā)表一作論文，這是一條少有人走過的成功之路。而在不久的將來，他也將回國尋找教職。
圖 | 武建昌（來源：武建昌）
AI 驅動材料閉環(huán)設計
那么，這篇頂刊論文涉及了什么成果？
具體來說，他研發(fā)出一種高通量閉環(huán)工作流程，發(fā)現(xiàn)了分子結構與性能之間的規(guī)律，提出了新的分子分類與設計規(guī)則，最終實現(xiàn)了高性能材料的開發(fā)。
首先，他開發(fā)出一套結合高通量有機半導體合成和貝葉斯優(yōu)化的閉環(huán)工作流程，能夠快速生成實驗數(shù)據(jù)并通過機器學習進行預測，從而實現(xiàn)對于分子結構的逆向設計。這套流程顯著提高了材料發(fā)現(xiàn)效率，為稀缺數(shù)據(jù)領域提供了可行的解決方案。
其次，他通過訓練機器學習模型并提取特征重要性，發(fā)現(xiàn)了一些關鍵的分子描述符（如 HOMO 能級、HOMO/LUMO 能隙、三級胺基團等）對器件性能有決定性影響。例如，最高占據(jù)分子軌道能級（HOMO，Highest Occupied Molecular Orbital）對電荷提取效率至關重要，而三級胺（尤其是三苯胺結構）由于其較低的電離勢，對提升分子的空穴傳輸性能起到重要作用。
再次，他根據(jù)三苯胺基團的位置對分子進行了分類，明確了不同類型分子的 HOMO 能級范圍及其與光伏效率的關系。這一分類和規(guī)律能夠顯著縮小候選分子的篩選范圍，從原始的 100 萬種候選分子減少到數(shù)百種具有高潛力的分子。為了幫助人們快速篩選分子，他引入了拓撲極性表面積（TPSA，Total Polar Surface Area）作為分子極性和電子吸引能力的粗略指標，并利用公開數(shù)據(jù)庫（如 PubChem）進行快速查詢�；谶@一方法，他篩選出 TPSA 值適中的分子，以保證它們在鈣鈦礦界面具有良好的鈍化和電荷傳輸特性。
最后，他對候選分子的邊緣基團（B 位）進行了細化調整。例如，通過調整對苯二甲酸（TPA，Terephthalic acid）衍生物與 5 種不同 B 位基團的組合（如對稱性略弱的 A770 基團），顯著優(yōu)化了分子的取向、鈍化效果和電荷傳輸性能，進一步將分子數(shù)量從數(shù)百種縮減至數(shù)十種。
利用這一精細的分類和篩選過程，能夠從近百萬的候選分子中高效地篩選出少量具有高潛力的分子，并最終通過高通量合成驗證其性能。通過這一策略，不僅提升了分子篩選的效率，還為分子設計提供了可操作的指導規(guī)則，為下一步的材料開發(fā)奠定了堅實基礎。
基于上述流程和規(guī)律，他設計并合成了一系列新型空穴傳輸材料，其中一部分材料在鈣鈦礦太陽能電池中的認證效率達到 25.9%。
總的來說，通過本次研究他不僅開發(fā)了高效的材料發(fā)現(xiàn)工具，還為分子設計提供了可解釋的科學依據(jù)，這些成果將對有機光電材料的開發(fā)產(chǎn)生重要影響。
審稿人指出，該研究的意義已遠遠超越具體問題領域，對材料發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化具有廣泛的啟發(fā)性。
若干年內，以下具體領域可能會受益于這一成果：
其一，高效鈣鈦礦太陽能電池的開發(fā)。通過分子分類方法和設計規(guī)則，研究人員可以快速篩選和優(yōu)化新型空穴傳輸材料，進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性。這一方法已經(jīng)展示了其在實現(xiàn)高達 26.2% 功率轉換效率的潛力，有望在 3 至 5 年內推動鈣鈦礦電池的商業(yè)化進程。
其二，定制化光電材料。這種機器學習和實驗結合的閉環(huán)設計方法，能夠快速生成針對特定設備需求的分子設計規(guī)則。這一方法可以推廣到其他光電材料領域，例如有機太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器和有機晶體管等，從而為下一代高性能光電子器件奠定基礎。
其三，個性化材料數(shù)據(jù)庫的構建。在未來 10 年內，利用本次工作流程可以逐步建立針對不同應用場景的大型材料數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)庫不僅可以服務于研究人員，還可以為工業(yè)界提供可靠的數(shù)據(jù)支持，推動人工智能驅動的材料研發(fā)從實驗室走向實際生產(chǎn)。
（來源：Science）
思維習慣帶來的意外收獲
而這一課題的開展要從 2020 年說起，當時武建昌即將博士畢業(yè)。那時，他與目前的博士后導師取得聯(lián)系。該導師的團隊當時專注于高通量器件制備及其自動化表征，尤其是通過機器學習預測器件穩(wěn)定性。
然而，這種方法更多是加速制備工藝，對新材料的發(fā)現(xiàn)助力有限，而新材料的發(fā)現(xiàn)是實現(xiàn)材料閉環(huán)設計的關鍵。鑒于武建昌的有機合成背景，他和博后導師確定了本次研究第一個目標實現(xiàn)高通量有機合成。
高通量合成是本次研究的第一大難點。傳統(tǒng)有機合成需要大量的手工步驟和時間，而如何將這些過程高效化、自動化是一個全新的挑戰(zhàn)。
在調研過程中，該團隊排除了部分應用有限的方法（如不溶聚合物）和分子庫受限的方法。通過借鑒實驗室機器人篩選溶劑的理念，開發(fā)了一套結合理論計算的數(shù)據(jù)驅動高通量合成方案，成功實現(xiàn)了高通量化合成。
合成大量分子后，課題組面臨選擇何種器件結構和制備工藝的問題。在兩種鈣鈦礦器件結構（n-i-p 和 p-i-n）中，p-i-n 結構對分子材料影響更大，能夠直接調控鈣鈦礦晶體生長，因此他們選定這一結構進行器件研究。
得到初步器件數(shù)據(jù)后，他們與德國卡爾斯魯厄理工學院的機器學習專家合作，通過訓練機器學習模型來分析結構-性能關系。
模型的反饋不斷引導他們合成新材料，借此實現(xiàn)了從候選分子到目標分子的迭代優(yōu)化，最終提煉出分子分類和設計規(guī)則，從而得以顯著縮小篩選范圍，最終達成研究目標。
（來源：Science）
在研究過程中，有一件事情讓武建昌至今記憶猶新。第一次高通量合成出 54 種材料時，武建昌非常興奮。但是，當天器件制備的手套箱已經(jīng)約滿了，武建昌就等到晚上 11 點沒人的時候過去。
光吸收層（鈣鈦礦）需要在這些分子上制備，這需要分子居于良好的浸潤性。然而實驗開始后，武建昌發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦溶液完全不浸潤分子表面。連續(xù)測試了幾個材料，依然如此。
起初他懷疑材料不行，但根據(jù)他的經(jīng)驗這些分子結構雖然浸潤性稍差，卻不至于完全失效。隨后，武建昌反思實驗設計，懷疑是溶液配制所用的塑料離心管問題。加熱攪拌過程中，可能有塑料成分溶解到溶液中，破壞了樣品性能。
第二天，武建昌更換玻璃器皿重新實驗，驗證了這一推測。這些分子不僅浸潤性良好，甚至優(yōu)于一些主流空穴傳輸材料。
這次經(jīng)歷讓武建昌深刻體會到，作為有機合成研究背景的科研人士，他不會首先懷疑材料不行，而是懷疑這個工藝是否和材料兼容�，F(xiàn)在來看，這種思維習慣有時會帶來意外收獲。
最終，相關論文以《逆向設計工作流程發(fā)現(xiàn)適合鈣鈦礦太陽能電池的孔傳輸材料》（Inverse design workflow discovers hole-transport materials tailored for perovskite solar cells）為題發(fā)在 Science[1]。
武建昌是第一作者，韓國蔚山科學技術院 Sang Il Seok、德國卡爾斯魯厄理工學院帕斯卡爾弗里德里希（Pascal Friederich）教授、德國紐倫堡亥姆霍茲可再生能源研究所克里斯托弗布拉貝克（Christoph J. Brabec）教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science）
盡管本次研究取得了理想的成果，但仍有許多值得進一步探索和優(yōu)化的方向。當前的高通量平臺已經(jīng)可以應對中等規(guī)模的分子庫篩選，但在速度和規(guī)模上還有提升空間。
未來，該團隊計劃開發(fā)更加高效的自動化合成和純化系統(tǒng)，以應對更大分子庫的需求，拓展至其他領域如催化劑和有機發(fā)光材料。
隨著研究的深入，課題組計劃進一步提高機器學習在整個流程中的參與度，例構建更加全面的數(shù)據(jù)庫、自動規(guī)劃反應路徑以及制定器件工藝方案，進一步優(yōu)化材料篩選流程。
另據(jù)悉，本次方法不僅適用于鈣鈦礦太陽能電池，還可以推廣到有機發(fā)光二極管、有機場效應晶體管等其他光電器件領域，為其提供高效的分子設計與優(yōu)化策略。
最終，武建昌希望構建一個完全自動化的閉環(huán)設計系統(tǒng)，從分子設計、合成、測試到優(yōu)化都無需人工干預，從而實現(xiàn)材料研發(fā)效率的飛躍。
參考資料：
1.Wu, J., Torresi, L., Hu, M., Reiser, P., Zhang, J., Rocha-Ortiz, J. S., ... & Brabec, C. J. (2024). Inverse design workflow discovers hole-transport materials tailored for perovskite solar cells. Science, 386(6727), 1256-1264.
排版：劉雅坤
