力響應(yīng)基團(tuán)（mechanophores）是指那些在外力作用下能夠發(fā)生可逆或不可逆結(jié)構(gòu)或化學(xué)性質(zhì)變化的分子基團(tuán)。力響應(yīng)的變化通常伴隨著可被檢測的信號，如熒光、顏色變化、電導(dǎo)率變化等，這使得它們可以作為力傳感器使用。

近日，來自麻省理工學(xué)院和杜克大學(xué)的最新研究通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，鑒定出可添加到聚合物材料中的交聯(lián)劑分子——含鐵化合物二茂鐵（ferrocenes），這些分子能使材料在撕裂前承受更大的作用力。這類交聯(lián)劑即屬于力響應(yīng)基團(tuán)的分子類別。

MIT 教授、本研究資深作者 Heather Kulik 表示：“這些分子可用于制造在受力時表現(xiàn)更強(qiáng)韌的聚合物。當(dāng)施加應(yīng)力時，材料不會開裂或斷裂，而是展現(xiàn)出更高的回彈性。”

該論文以題為“High-Throughput Discovery of Ferrocene Mechanophores with Enhanced Reactivity and Network Toughening”發(fā)表在 ACS Central Science 期刊。MIT 博士后 Ilia Kevlishvili 是這篇論文的第一作者，其他作者包括杜克大學(xué)研究生 Jafer Vakil、MIT研究生 David Kastner 和 Xiao Huang，以及杜克大學(xué)化學(xué)系教授 Stephen Craig。

二茂鐵：未被開發(fā)的潛力分子

這項(xiàng)研究建立在 Craig 和麻省理工學(xué)院講席教授 Jeremiah Johnson 及其同事于 2023 年完成的研究成果基礎(chǔ)上。

在那項(xiàng)研究中，研究人員意外發(fā)現(xiàn)：將弱交聯(lián)劑引入聚合物網(wǎng)絡(luò)反而能增強(qiáng)材料整體強(qiáng)度。當(dāng)含有這些弱交聯(lián)劑的材料被拉伸至斷裂點(diǎn)時，裂紋在材料中擴(kuò)展時會避開強(qiáng)鍵而優(yōu)先破壞弱鍵。這意味著裂紋需要破壞的化學(xué)鍵數(shù)量，比所有鍵強(qiáng)度相同時更多。

為探索這一現(xiàn)象的新應(yīng)用，Craig 和 Kulik 合作尋找可用作弱交聯(lián)劑的力響應(yīng)基團(tuán)。“我們獲得了新的機(jī)理認(rèn)知和研究機(jī)遇，但面臨巨大挑戰(zhàn)：在浩如煙海的物質(zhì)組成中，如何鎖定最具潛力的候選者？”Craig 表示。

發(fā)現(xiàn)和表征力響應(yīng)基團(tuán)是項(xiàng)艱巨任務(wù)，既耗時實(shí)驗(yàn)又需計(jì)算密集的分子相互作用模擬。目前已知的力響應(yīng)基團(tuán)多為有機(jī)化合物，如 2023 年研究中用作交聯(lián)劑的環(huán)丁烷。

新研究中，團(tuán)隊(duì)聚焦于具有力響應(yīng)基團(tuán)潛力的二茂鐵分子。這類有機(jī)金屬化合物的鐵原子夾在兩個含碳環(huán)之間，通過修飾環(huán)上的化學(xué)基團(tuán)可調(diào)控其化學(xué)和機(jī)械性能。盡管部分二茂鐵已被證實(shí)是優(yōu)良的力響應(yīng)基團(tuán)，但大多數(shù)尚未接受評估。單個潛在力響應(yīng)基團(tuán)的實(shí)驗(yàn)測試需數(shù)周時間，計(jì)算模擬雖較快仍需數(shù)日，傳統(tǒng)的方法評估數(shù)千種候選分子幾乎不可能。

意識到機(jī)器學(xué)習(xí)可大幅加速分子表征，研究團(tuán)隊(duì)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)篩選有前景的二茂鐵機(jī)械響應(yīng)團(tuán)。他們從劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（Cambridge Structural Database）中選取 5,000 種已合成的二茂鐵結(jié)構(gòu)作為起點(diǎn)。“這確保我們無需擔(dān)憂分子可合成性問題，能在保持化學(xué)多樣性的廣闊空間開展探索。”第一作者 Kevlishvili 解釋道。

研究人員首先對其中約 400 種化合物進(jìn)行力場計(jì)算，量化分子內(nèi)原子鍵斷裂所需的作用力。他們特別關(guān)注易斷裂的分子，這類弱鍵能增強(qiáng)聚合物的抗撕裂性?；谶@些數(shù)據(jù)與分子結(jié)構(gòu)信息，團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練出機(jī)器學(xué)習(xí)模型，成功預(yù)測了數(shù)據(jù)庫中剩余 4,500 種化合物及 7,000 種衍生結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)閾值。

研究發(fā)現(xiàn)兩個關(guān)鍵特征可提升抗撕裂性：一是二茂鐵環(huán)上取代基間的相互作用；二是當(dāng)兩個環(huán)均連接大體積基團(tuán)時，分子更易在外力作用下斷裂。Kulik 指出：“第一個特征符合預(yù)期，但第二個特征完全超出化學(xué)家的預(yù)判——沒有人工智能，我們永遠(yuǎn)無法發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律。這真令人驚喜。”

4 倍韌性突破

當(dāng)研究人員篩選出約 100 種潛力分子后，杜克大學(xué) Craig 實(shí)驗(yàn)室率先合成了含有 m-TMS-Fc 交聯(lián)劑的聚合物材料。在該體系中，m-TMS-Fc 作為交聯(lián)點(diǎn)將聚丙烯酸酯的分子鏈相互連接。

通過拉伸測試發(fā)現(xiàn)，采用這種弱交聯(lián)劑的聚合物展現(xiàn)出優(yōu)異的抗撕裂性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其韌性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)二茂鐵交聯(lián)聚合物的 4 倍。Kevlishvili 指出，“若能提升現(xiàn)有塑料制品的韌性，就能延長使用壽命，從根本上減少塑料產(chǎn)量和廢棄物積累。”

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將該機(jī)器學(xué)習(xí)平臺拓展至其他功能性力響應(yīng)基團(tuán)的開發(fā)，例如能響應(yīng)外力變色或激活催化活性的分子。這類智能材料可應(yīng)用于應(yīng)力傳感器、可切換催化劑系統(tǒng)，以及在藥物遞送等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮作用。

后續(xù)研究將聚焦二茂鐵及其他已合成但性能未充分開發(fā)的金屬力響應(yīng)基團(tuán)。過渡金屬力響應(yīng)基團(tuán)的研究尚屬空白，其合成難度也更高，上述計(jì)算工作流程有望拓展這類分子的研究邊界。