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突破障碍: 新机器学习框架设计热稳定型形状记忆玻璃体

RSC英国皇家化学会 • 1 年前 • 278 次点击  

研究背景

形状记忆玻璃体 (SMVs) 代表了一类新兴的先进材料,近五至六年来受到全球研究者的广泛关注。这类材料能在受到外部刺激时恢复至原始形状,同时修复所承受的损伤,具备极高的工程应用潜力。

然而,要在形状记忆玻璃体中同时达到高修复/回收效率与高玻璃转变温度 (Tg) 是颇具挑战性的,这主要源于分子链运动与动态共价键交换的形成和反应之间的矛盾。通常认为,解决此矛盾似乎超越了人类智慧的界限,同时也向当前计算能力提出了挑战。

论文详情

近日,美国南方大学严成助理教授和路易斯安那州立大学李国强教授带领研究团队采用机器学习的方法设计了一系列具有高回收效率,高玻璃转化温度和出色的形状记忆效应的形状记忆玻璃体。

基于机器学习的形状记忆玻璃体设计框架

基于对化学物理属性的理解,本研究首次利用机器学习(包括监督学习和无监督学习方法)来探索形状记忆玻璃体高度复杂的设计空间。在此研究中,研究详细阐述了机器学习方法的基本数学框架,并全面比较了它们的性能。根据性能最佳的模型,研究团队设计了四种热稳定型形状记忆玻璃体(TRSMVs),它们具有高回收效率,高玻璃转化温度和出色的形状记忆效应,从而克服了传统设计障碍。实验团队验证了其中一种材料,发现其具有优异的性能,其 Tg 为 233.5°C,回收效率为 84.1%,恢复应力为 33 MPa。

这与机器学习的预测结果非常吻合,展示了此机器学习框架在推动创新材料设计和智能聚合物领域方面的巨大潜力。该成果以“Overcome the barrier: designing novel thermally robust shape memory vitrimers by establishing a new machine learning framework”(《突破障碍:使用新颖机器学习框架设计热稳定型形状记忆玻璃体》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Physical Chemistry Chemical Physics 上,并入选为期刊封面文章

论文信息

  • Overcome the barrier: designing novel thermally robust shape memory vitrimers by establishing a new machine learning framework
    Cheng Yan*(严成), Xiaming Feng, John Konlan, Patrick Mensah, Guoqiang Li*(李国强)
    Phys. Chem. Chem. Phys., 2023
    http://doi.org/10.1039/D3CP03631F

作者简介

严成 助理教授
美国南方大学
本文第一作者及通讯作者,硕士生导师,美国南方大学助理教授。他于北京理工大学和路易斯安那州立大学分别获得博士学位。他的主要研究领域为固体力学和机器学习。通过机器学习的方法,他提出了基于机器学习的通用高分子材料发现框架,并发现了多种多功能高分子材料。同时,他也发展并提出了数个高分子材料本构模型。截至目前为止,严成教授已 ASME Journal of Applied Mechanics, Journal of Applied Physics,  及  ACS Applied Materials & Interfaces 等重要国际期刊上发表论文 20 余篇。他还撰写有专著章节 2 篇及综述 2 篇。其他方面,他于 2021 年荣获 International Conference on Computer Science & Education 会议的“最佳论文奖”,2022 年获得路易斯安那州立大学机械和工业工程学院的“杰出研究助理奖”,以及 2023 年获得路易斯安那州立大学工学院的“杰出博士论文奖”。他目前担任 Frontiers in Mechanical Engineering 杂志编委会成员 (Solid and Structural Mechanics 分区)及 Mathematics 杂志客座编辑





李国强 教授
路易斯安那州立大学
李国强博士目前是路易斯安那州立大学 (LSU) 机械与工业工程系莫里斯 S. 和德埃特 A. 安德森少校纪念校友教授和小约翰 W. 雷亚工程讲席教授。他还是南方大学机械工程系特聘研究教授。他目前还担任路易斯安那州立大学研究生院副教务长。他的研究兴趣在于广泛的工程材料和工程力学领域。截至 2023 年 10 月,他拥有 17 项美国专利。他有 230 篇论文被 Web of Science 索引,引用次数超过 10,000 次,h 指数为 55。他目前担任 ASCE Journal of Materials in Civil Engineering 副主编、Nature 杂志 Scientific Reports 编委、Elsevier 杂志Cleaner Materials副主编, 以及Frontiers in Mechanical Engineering 杂志“固体与结构力学”的专业编辑。连续多年被斯坦福大学基于 SCOPUS 数据库评选为世界前 2% 的研究人员。他在这项研究中起到了监督和共同构思的作用。

相关期刊

High quality research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry

rsc.li/pccp

Phys. Chem. Chem. Phys.

2-年影响因子*3.3
5-年影响因子*3.3
最高 JCR 分区*Q1 物理-原子分子&化学
CiteScore 分5.9
中位一审周期40 


Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) 报道物理化学、化学物理和生物物理化学的前沿进展,所发论文包含了对物理化学的重大创新和/或见解。该刊发文范围很广,包括光谱学、动力学、统计力学、热力学、电化学、催化、表面科学、量子力学和理论发展。本刊也注重发表对物理化学带来重大创新和/或深刻见解的跨学科研究成果,例如聚合物和软物质、材料科学、纳米科学、能源,表面/界面和生物物理化学等学科。该刊由英国皇家化学会出版,并由 19 个不同国家和地区的化学学会共同拥有。

Chair

  • Anouk Rijs
    🇳🇱 阿姆斯特丹自由大学

Deputy chair

  • Henry Schaefer
    🇺🇸 佐治亚大学

Associate editors

  • Bo Albinsson
    🇸🇪 查默斯科技大学

  • Luis Bañares
    🇪🇸 马德里康普鲁滕斯大学

  • Maria Lucia Curri
    🇮🇹 巴里大学

  • Chantal Daniel
    🇫🇷 斯特拉斯堡大学

  • Keith Gordon
    🇳🇿 奥塔哥大学

  • Lars Goerigk
    🇦🇺 墨尔本大学

  • Hiroshi Kondoh
    🇯🇵 庆应义塾大学

  • Anna Krylov
    🇺🇸 南加州大学

  • Prabal Maiti
    🇮🇳 印度科学院

  • Spiridoula Matsika
    🇺🇸 天普大学

  • Ron Naaman
    🇮🇱 魏兹曼科学研究所

  • Isaac Tamblyn
    🇨🇦 渥太华大学

  • Yunjie Xu (徐云洁)
    🇨🇦 阿尔伯塔大学

  • John Zhang (张增辉)
    🇨🇳 上海纽约大学

* 2022 Journal Citation Reports (Clarivate, 2023)

 CiteScore 2022 by Elsevier

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