KI hilft Chemikern bei der Entwicklung stärkerer Kunststoffe
Forscher haben Polymere entwickelt, die reißfester sind, indem sie auf Stress reagierende Moleküle eingebaut haben
Laut Forschern des MIT und der Duke University könnte eine neue Strategie zur Verstärkung von Polymermaterialien zu haltbareren Kunststoffen führen und die Menge an Kunststoffabfällen verringern. Mithilfe von maschinellem Lernen haben die Forscher Vernetzungsmoleküle identifiziert, die Polymermaterialien hinzugefügt werden können, so dass sie mehr Kraft aushalten, bevor sie reißen. Diese Vernetzer gehören zu einer Klasse von Molekülen, die als Mechanophore bekannt sind und die ihre Form oder andere Eigenschaften als Reaktion auf mechanische Kräfte verändern.
"Diese Moleküle können nützlich sein, um Polymere herzustellen, die bei Krafteinwirkung stärker werden. Wenn man sie belastet, werden sie nicht reißen oder brechen, sondern sind widerstandsfähiger", sagt Heather Kulik, Lammot du Pont Professorin für Chemieingenieurwesen am MIT, die auch Professorin für Chemie und Erstautorin der Studie ist.
Bei den Vernetzern, die die Forscher in dieser Studie identifizierten, handelt es sich um eisenhaltige Verbindungen, die als Ferrocene bekannt sind und deren Potenzial als Mechanophore bisher noch nicht umfassend erforscht wurde. Die experimentelle Bewertung eines einzelnen Mechanophors kann Wochen dauern, aber die Forscher haben gezeigt, dass sie diesen Prozess mit Hilfe eines maschinellen Lernmodells drastisch beschleunigen können.
Der MIT-Postdoktorand Ilia Kevlishvili ist der Hauptautor des Open-Access-Artikels, der in ACS Central Science erschienen ist. Weitere Autoren sind Jafer Vakil, ein Doktorand in Duke, David Kastner und Xiao Huang, beide Doktoranden am MIT, und Stephen Craig, Professor für Chemie in Duke.
Das schwächste Glied
Mechanophore sind Moleküle, die auf Kraft in einzigartiger Weise reagieren, indem sie in der Regel ihre Farbe, Struktur oder andere Eigenschaften verändern. In der neuen Studie wollte das MIT- und Duke-Team untersuchen, ob sie dazu beitragen können, Polymere widerstandsfähiger gegen Schäden zu machen.
Die neue Arbeit baut auf einer Studie aus dem Jahr 2023 von Craig und Jeremiah Johnson, dem A. Thomas Guertin Professor für Chemie am MIT, und ihren Kollegen auf. In dieser Arbeit fanden die Forscher heraus, dass der Einbau von schwachen Vernetzern in ein Polymernetzwerk das gesamte Material überraschenderweise stärker machen kann. Wenn Materialien mit diesen schwachen Vernetzern bis zur Bruchgrenze gedehnt werden, versuchen Risse, die sich durch das Material ausbreiten, die stärkeren Bindungen zu vermeiden und stattdessen durch die schwächeren Bindungen zu gehen. Das bedeutet, dass der Riss mehr Bindungen brechen muss, als dies der Fall wäre, wenn alle Bindungen die gleiche Stärke hätten.
Um neue Wege zur Ausnutzung dieses Phänomens zu finden, taten sich Craig und Kulik zusammen und versuchten, Mechanophore zu identifizieren, die als schwache Vernetzer verwendet werden könnten.
"Wir hatten diese neuen mechanistischen Erkenntnisse und Möglichkeiten, aber sie waren mit einer großen Herausforderung verbunden: Wie können wir von allen möglichen Materiezusammensetzungen diejenige mit dem größten Potenzial herausfinden?" sagt Craig. "Es ist Heather und Ilia zu verdanken, dass sie diese Herausforderung erkannt und einen Ansatz entwickelt haben, um sie zu bewältigen.
Die Entdeckung und Charakterisierung von Mechanophoren ist eine schwierige Aufgabe, die entweder zeitaufwändige Experimente oder rechenintensive Simulationen der molekularen Wechselwirkungen erfordert. Bei den meisten bekannten Mechanophoren handelt es sich um organische Verbindungen, wie z. B. Cyclobutan, das in der Studie von 2023 als Vernetzer verwendet wurde.
In der neuen Studie wollten sich die Forscher auf Moleküle konzentrieren, die als Ferrocene bekannt sind und von denen man annimmt, dass sie ein Potenzial als Mechanophore haben. Ferrocene sind metallorganische Verbindungen, bei denen ein Eisenatom zwischen zwei kohlenstoffhaltigen Ringen eingebettet ist. An diese Ringe können verschiedene chemische Gruppen angefügt werden, die ihre chemischen und mechanischen Eigenschaften verändern.
Viele Ferrocene werden als Arzneimittel oder Katalysatoren verwendet, und von einigen ist bekannt, dass sie sich gut als Mechanophore eignen, aber die meisten wurden noch nicht für diesen Zweck untersucht. Experimentelle Tests eines einzelnen potenziellen Mechanophors können mehrere Wochen dauern, und Computersimulationen sind zwar schneller, dauern aber immer noch ein paar Tage. Tausende von Kandidaten mit diesen Strategien zu bewerten, ist eine entmutigende Aufgabe.
Das MIT- und Duke-Team erkannte, dass ein maschinelles Lernverfahren die Charakterisierung dieser Moleküle erheblich beschleunigen könnte, und beschloss, ein neuronales Netzwerk zu verwenden, um Ferrocene zu identifizieren, die vielversprechende Mechanophore sein könnten.
Sie begannen mit Informationen aus der Cambridge Structural Database, die die Strukturen von 5.000 verschiedenen Ferrocenen enthält, die bereits synthetisiert wurden.
"Wir wussten, dass wir uns über die Frage der Synthetisierbarkeit keine Gedanken machen mussten, zumindest nicht aus der Perspektive des Mechanophors selbst. So konnten wir einen wirklich großen Raum mit einer großen chemischen Vielfalt erforschen, der auch synthetisch realisierbar ist", sagt Kevlishvili.
Zunächst führten die Forscher Computersimulationen für etwa 400 dieser Verbindungen durch, mit denen sie berechnen konnten, wie viel Kraft erforderlich ist, um die Atome innerhalb jedes Moleküls auseinander zu ziehen. Für diese Anwendung suchten sie nach Molekülen, die schnell auseinanderbrechen würden, da diese schwachen Verbindungen Polymermaterialien reißfester machen könnten.
Dann nutzten sie diese Daten zusammen mit Informationen über die Struktur der einzelnen Verbindungen, um ein maschinelles Lernmodell zu trainieren. Dieses Modell war in der Lage, die Kraft vorherzusagen, die zur Aktivierung des Mechanophors erforderlich ist, was wiederum die Reißfestigkeit beeinflusst, und zwar für die verbleibenden 4 500 Verbindungen in der Datenbank sowie für weitere 7 000 Verbindungen, die denen in der Datenbank ähneln, bei denen aber einige Atome umgeordnet sind.
Die Forscher entdeckten zwei Hauptmerkmale, die wahrscheinlich die Reißfestigkeit erhöhen. Eines davon waren Wechselwirkungen zwischen den chemischen Gruppen, die an die Ferrocenringe gebunden sind. Außerdem führte das Vorhandensein großer, sperriger Moleküle, die an beide Ringe des Ferrocen gebunden sind, dazu, dass das Molekül bei Einwirkung von Kräften eher auseinanderbricht.
Während die erste dieser Eigenschaften nicht überraschend war, hätte ein Chemiker die zweite nicht vorhergesagt, und sie hätte ohne künstliche Intelligenz nicht entdeckt werden können, sagen die Forscher. "Das war etwas wirklich Überraschendes", sagt Kulik.
Widerstandsfähigere Kunststoffe
Nachdem die Forscher etwa 100 vielversprechende Kandidaten identifiziert hatten, synthetisierte Craigs Labor in Duke ein Polymermaterial, das einen von ihnen enthält, das so genannte m-TMS-Fc. In diesem Material wirkt m-TMS-Fc als Vernetzer und verbindet die Polymerstränge, aus denen Polyacrylat, eine Art Kunststoff, besteht.
Indem sie Kraft auf jedes Polymer ausübten, bis es riss, stellten die Forscher fest, dass der schwache m-TMS-Fc-Linker ein starkes, reißfestes Polymer ergab. Dieses Polymer erwies sich als etwa viermal härter als Polymere, die mit normalem Ferrocen als Vernetzer hergestellt wurden.
"Das hat wirklich große Auswirkungen, denn wenn wir an all die Kunststoffe denken, die wir verwenden, und an den anfallenden Plastikmüll, dann bedeutet das, wenn man die Materialien zäher macht, dass ihre Lebensdauer länger ist. Sie sind dann länger verwendbar, was langfristig die Kunststoffproduktion verringern könnte", sagt Kevlishvili.
Die Forscher hoffen nun, ihren Ansatz des maschinellen Lernens nutzen zu können, um Mechanophore mit anderen wünschenswerten Eigenschaften zu identifizieren, z. B. mit der Fähigkeit, die Farbe zu ändern oder als Reaktion auf eine Kraft katalytisch aktiv zu werden. Solche Materialien könnten als Stresssensoren oder schaltbare Katalysatoren eingesetzt werden und auch für biomedizinische Anwendungen wie die Verabreichung von Medikamenten nützlich sein.
Bei diesen Studien wollen sich die Forscher auf Ferrocene und andere metallhaltige Mechanophore konzentrieren, die bereits synthetisiert wurden, deren Eigenschaften aber noch nicht vollständig bekannt sind.
"Übergangsmetall-Mechanophore sind relativ wenig erforscht und ihre Herstellung ist wahrscheinlich etwas schwieriger", sagt Kulik. "Dieser rechnerische Arbeitsablauf kann breit eingesetzt werden, um den Raum der Mechanophore zu erweitern, den man untersucht hat."
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