OLED 屏幕使用了施加電流時能夠發(fā)光的有機分子。不像現(xiàn)在普遍使用的液晶顯示器(LCD)，OLED 屏幕不需要背光(backlight)，這意味著 OLED 屏幕能夠像一片塑料一樣薄且具有柔性。單個像素能被開啟或被完全關(guān)閉，這能極大改進(jìn)屏幕的彩色對比度和能量消耗。OLED 在高端消費者設(shè)備中正在取代 LCD，但在電視這樣的大型顯示器上，因缺乏穩(wěn)定有效的藍(lán)光材料使得 OLED 缺乏競爭力。
哈佛的這支跨學(xué)科研究團(tuán)隊聯(lián)合 MIT 和三星，開發(fā)了一個大規(guī)模的、計算機驅(qū)動的名為分子太空梭(Molecular Space Shuttle)的篩選流程;該流程結(jié)合了理論和實驗化學(xué)、機器學(xué)習(xí)、化學(xué)信息學(xué)，可以快速識別和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)一樣甚至更好的新型 OLED 分子。
Alan Aspuru-Guzik
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的化學(xué)和生物化學(xué)教授 Alán Aspuru-Guzik 說，「人們一度相信有機發(fā)光分子的種類只限于分子空間的小部分區(qū)域。但通過開發(fā)一個復(fù)雜的分子生成器，使用前沿的機器學(xué)習(xí)技術(shù)，并利用實驗學(xué)家的專業(yè)知識，我們發(fā)現(xiàn)了大量的高性能藍(lán)光 OLED 材料?！?/p>
這一研究已經(jīng)發(fā)表到了這一期的 Nature Materials 上。
OLED 制造成本最大的挑戰(zhàn)是發(fā)出藍(lán)光。
如同 LCD，OLED 依靠綠、紅、藍(lán)子像素在屏幕上產(chǎn)生各種顏色。但一直很難找到能夠有效發(fā)出藍(lán)光的有機分子。為了改進(jìn)功效，OLED 生產(chǎn)商創(chuàng)造出了帶有銥這樣昂貴的過渡金屬的有機金屬分子，憑借磷光現(xiàn)象( phosphorescence)增強分子。這一解決方法非常昂貴，且還不能實現(xiàn)穩(wěn)定的藍(lán)光。
Aspuru-Guzik 和他的團(tuán)隊想要使用完全的有機分子取代這些有機金屬化合物系統(tǒng)。
首先，他們建立了一個擁有超過 160 萬種候選分子的庫。然后，為了收縮這一范圍，哈佛大學(xué)保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)由計算機科學(xué)助理教授 Ryan Adams 帶領(lǐng)的一組研究團(tuán)隊開發(fā)了新型的機器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測哪種分子更有可能產(chǎn)生好結(jié)果，并優(yōu)先考慮對這些分子進(jìn)行虛擬測試。這有效將搜索的計算成本至少減少了十倍。
本篇論文的作者之一、Adam 實驗室的博士后研究者 David Duvenaud 說：「這是化學(xué)與機器學(xué)習(xí)之間的自然結(jié)合。因為我們的化學(xué)設(shè)計流程的早期階段有數(shù)百萬個候選項，用人力進(jìn)行評估與優(yōu)先級劃分是不可能。所以基于已經(jīng)評估過的分子，我們使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來快速劃分候選分子?！?/p>
Adam 說，「機器學(xué)習(xí)工具正在日趨成熟，我們看到它們已經(jīng)開始被用于大量的科學(xué)領(lǐng)域。這一協(xié)作是促進(jìn)計算機科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)前沿科技的美好機遇，同時也能促進(jìn)開發(fā)有眾多實際應(yīng)用的全新材料。看到這些設(shè)計能從機器學(xué)習(xí)預(yù)測變成人們可以拿在手中的設(shè)備，真是令人滿足啊。」
該論文的第一作者、 Aspuru-Guzik 的實驗室的博士后研究者 Rafael Gómez-Bombarelli說，「我們能夠以一種真正具有預(yù)測性的方式建模這些分子。我們能從一個簡單的量子化學(xué)計算中預(yù)測分子的顏色和亮度，計算每一種分子大約需要 12 個小時。我們?yōu)榛瘜W(xué)空間建立了圖表，并通過進(jìn)行虛擬實驗來尋找分子所能做到的極限?！?/p>
Aspuru-Guzik 說，「分子就像是運動員。找到賽跑運動員很容易，找到游泳運動員、自行車賽車手也很容易，但找到兼三者于一身的運動員不容易。我們的分子需要是三項全能的運動員，它們需要是藍(lán)色、穩(wěn)定且明亮的?！?/p>
但是發(fā)現(xiàn)這些超分子所需的不僅僅是計算能力——還需要人類的直覺，Tim Hirzel 如是說，他是化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系的一位高級軟件工程師，也是本論文的作者之一。
為了幫助彌合理論建模和實驗實踐之間的差距，Hirzel 及其團(tuán)隊搭建了一個網(wǎng)頁應(yīng)用以便合作者能探索這些量子化學(xué)模擬結(jié)果——該結(jié)果有 50 多萬份。
每個月，Gómez-Bombarelli 與合著者 Jorge Aguilera-Iparraguirre(也是 Aspuru-Guzik 實驗室的一位博士后)都會選出最有潛力的分子，并使用他們的軟件來創(chuàng)造「棒球卡(baseball cards)」，其詳細(xì)包含了關(guān)于每一種分子的重要信息。這個過程篩選出了 2500 種值得進(jìn)一步研究的分子。然后該團(tuán)隊在三星和 MIT 的實驗合作者會投票決定哪種分子最具有應(yīng)用潛力。該團(tuán)隊還根據(jù)流行的在線約會應(yīng)用 Tinder 為他們的投票工具起了一個綽號——「molecular Tinder(分子 Tinder)」。
Hirzel 說，「我們以一種非常謹(jǐn)慎的方式促進(jìn)了這門科學(xué)的社會方面的發(fā)展。」
Gómez-Bombarelli 說，「計算機模型做了很多事，但天才的靈光仍然來自于人類?！?/p>
「這一工作的成功源自其多學(xué)科的本質(zhì)，」Aspuru-Guzik 說，「我們在 MIT 和三星的合作者提供了有關(guān)這些分子結(jié)構(gòu)的要求的關(guān)鍵反饋?！?/p>
「這種由哈佛的團(tuán)隊首創(chuàng)的高通量篩選技術(shù)顯著地減少了對合成、實驗表征和優(yōu)化的需求?！乖撜撐牡淖髡咧?、MIT 電氣工程與計算機科學(xué)教授 Marc Baldo 說，「這表明了產(chǎn)業(yè)界更快更有效地推進(jìn) OLED 技術(shù)的方式?！?/p>
在這種加速的設(shè)計周期后，該團(tuán)隊得到了數(shù)百種性能表現(xiàn)和當(dāng)前最佳的無金屬 OLED 一樣好(甚至更好)的分子。
這種類型的分子篩選應(yīng)用也能極大地擴展到 OLED 領(lǐng)域之外。
「這項研究只是更多更先進(jìn)的有機分子發(fā)展之路的一個中間站，我們可以將其用于液流電池、太陽能電池和有機激光器等更多領(lǐng)域。」Aspuru-Guzik 說，「加速分子設(shè)計的未來真的非常非常激動人心!」
目前看來，這些分子還不太可能很快推向市場。但已有傳言說 iPhone 將會轉(zhuǎn)用 OLED 顯示屏，哈佛的這一技術(shù)可能會在未來幾年內(nèi)為這一技術(shù)的更迭提供非常大的助力。
論文：使用高通量虛擬篩選和實驗性方法的高效分子有機發(fā)光二極管設(shè)計
摘要：由于可用計算機時間(computer time)的指數(shù)式增長與模擬和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷改進(jìn)，虛擬篩選(virtual screening)正在成為分子發(fā)現(xiàn)(molecular discovery)應(yīng)用上的一項突破性技術(shù)。我們在這里報告一種綜合式的有機功能材料設(shè)計流程，該流程整合了理論上的見解、量子化學(xué)、化學(xué)信息學(xué)、機器學(xué)習(xí)、工業(yè)專業(yè)技術(shù)、有機合成、分子表征、器件制造和光電檢測。在探索了 160 萬種分子的研究空間之后，該流程使用含時密度泛函理論(TDDFT：time-dependent density functional theory)從中篩選出了 400，000 多種，我們從中識別出了數(shù)千種在可見光譜上的有潛力的全新有機發(fā)光二極管。我們的團(tuán)隊一起協(xié)作從這個集合中選擇了最好的候選材料。合成這些候選材料后，我們對其實驗測定發(fā)現(xiàn)，它們的外量子效率(EQE：External Quantum Efficiency)可達(dá)到 22%。
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