2026助力发刊：深度学习MOF材料专题学习 - 教程

课程总览

2016年诺贝尔化学奖授予分子机器的设计与合成，标志着化学家对微观世界的控制进入新纪元。本课程以此为起点，平台阐释金属-有机框架（MOF）材料智能研发的全链条范式。课程将深度融合MOF的物理化学基础理论、现代机器学习算法原理及其在材料逆向设计与自动化合成中的前沿应用，通过16个由浅入深的Python实战案例，助力学员掌握从“分子级设计”到“机器人合成”的核心技能。

第一天：第一性原理与高通量虚拟筛选

主题：从分子模拟基础到大规模计算筛选

上午 Session ：MOF基础与分子模拟理论

Lecture 1: 诺贝尔奖中的精准控制理念与MOF化学基础

超分子化学（1987年诺贝尔奖）与分子机器（2016年诺贝尔奖）的启示。

MOF结构化学：次级结构单元、拓扑网络、孔道与表面工程。

关键性能指标分析与文献综述：气体吸附容量、选择性、工作容量、稳定性（热/水/化学）的物理化学定义。

Lecture 2: 分子模拟与高通量筛选的理论核心

巨正则蒙特卡洛模拟的物理基础：化学势、吸附位点、分子间势能（Lennard-Jones, Coulomb）的推导与参数化。

力场的重要性与挑战：通用力场（UFF, DREIDING）与特定力场的适用性与局限性讨论。

高通量计算筛选的框架：数据库构建、任务分发、数据提取与分析的标准化流程。

下午 Session：Python实战案例

案例1: 从CIF到结构洞察——使用pymatgen解构MOF

目标： 编程解析MOF晶体结构，提取关键结构参数。

Python实现： pymatgen库的应用，计算晶格参数、原子间距、配位环境。

案例2: 构建MOF孔结构描述符计算器

目标： 量化孔径（LCD, PLD）、孔隙率、比表面积。

Python实现： 利用zeo++接口或pymatgen进行批量孔结构分析，结果存入pandas DataFrame。

案例3: 分子模拟数据的自动化处理与可视化

目标： 自动解析GCMC输出，拟合吸附等温线。

Python完成： 使用pandas进行数据清洗，scipy.optimize进行Langmuir/Freundlich模型拟合，matplotlib进行可视化。

案例4: 高通量虚拟筛选CO₂吸附剂

目标： 基于结构描述符和简单规则筛选高性能候选材料。

Python建立： 编写基于pandas的艰难查询脚本，实现多条件联合筛选。

第二天：机器学习与深度学习的理论与应用

主题：从经典机器学习到图神经网络

上午 Session：机器学习算法精讲与MOF特征工程

Lecture 3: 机器学习基础与MOF特征工程

监督学习理论：偏差-方差权衡，过拟合与正则化，交叉验证。

MOF的特征表示：几何描述符（孔径、体积、表面积）、化学描述符（原子电荷、电负性、化学硬度）、能量描述符（静电势）的物理意义与计算方法。

特征选择与降维：特征重要性分析，主成分分析的原理与应用。

Lecture 4: 深度学习与图神经网络导论

深度学习基础：神经网络的前向/反向传播算法推导，激活函数，优化器。

图神经网络原理：消息传递机制，如何将MOF的周期性晶体结构表示为图（节点、边、全局特征）。

GNN用于材料科学的优势：直接处理非欧几里得数据，端到端学习，潜力挖掘。

下午 Session：Python实战案例

案例5: 构建MOF特征工程自动化流水线

目标： 为MOF数据集自动生成全面的特征矩阵。

Python实现： 使用matminer库批量提取特征。

案例6: 训练与评估随机森林模型预测CO₂吸附量

目标： 建立准确的结构-性能预测模型。

Python构建： 使用scikit-learn构建RandomForestRegressor pipeline，并进行严谨的性能评估。

案例7: 图神经网络初探——构建MOF晶体图

目标： 将MOF结构转化为图数据，为GNN建模做准备。

Python实现： 使用pymatgen和torch_geometric构建图数据结构。

案例8: 利用SHAP解析模型决策机制

目标： 理解模型预测的物理化学依据。

Python实现： 使用SHAP库解释案例6中随机森林模型的预测结果，识别关键描述符。

第三天：逆向创造与自动合成——新范式的闭环

主题：搭建从性能目标到材料创造的跨越

上午 Session：生成模型与优化算法理论

Lecture 5: 逆向设计的基本原理与生成模型

逆向设计范式：与传统“筛选”的根本区别。

生成模型基础：变分自编码器的编码器-瓶颈-解码器结构及其潜空间概念；生成对抗网络的博弈论思想。

进化算法：遗传算法的“选择-交叉-变异”操作及其在化学空间搜索中的应用。

Lecture 6: 贝叶斯优化与实验自动化

贝叶斯优化原理：高斯过程、采集函数（EI, UCB）如何平衡探索与利用。

自主实验系统：合成-表征-分析闭环的构建逻辑与关键技术挑战。

下午 Session：Python实战案例

案例9: 基于遗传算法的MOF逆向设计

目标： 凭借优化连接体设计目标孔径的MOF。

Python实现： 使用DEAP库实现轻松的遗传算法。

案例10: 变分自编码器生成novel MOF结构

目标： 学习MOF结构分布并生成新样本。

Python实现： 使用PyTorch构建VAE模型。

案例11: 自然语言处理驱动合成路径规划

目标： 从文献中自动提取合成配方。

Python建立： 使用spaCy或transformers进行命名实体识别。

案例12: 贝叶斯优化自主寻找最优合成条件

目标： 模拟优化合成参数的过程。

Python实现： 使用scikit-optimize或BoTorch实现贝叶斯优化循环

第四天：整合与远征——构建自主材料研发系统

主题：集成与展望

上午 Session：系统集成与多目标优化

Lecture 7: 自主研发系统的架构与挑战 (1小时)

“AI设计-机器人合成-智能表征”闭环的系统工程学视角。

数据标准化、通信协议、决策逻辑等关键挑战。

Lecture 8: 多目标优化与Pareto最优 (1小时)

多目标优化问题的数学表述。

Pareto前沿的概念与求解算法（如NSGA-II）原理简介。

下午 Session：Python实战案例

案例13: 构建闭环研发系统的核心调度器

目标： 模拟自主实验室的工作流管理。

Python实现： 编写一个容易的状态机类AutonomousLabScheduler。

案例14: 实时数据分析与决策模拟

目标： 基于PXRD图谱相似度进行实时相判断。

Python实现： 利用scipy计算余弦相似度，设定决策阈值。

案例15: 多目标优化处理材料“权衡”难题

目标： 寻找CO₂吸附量与稳定性的平衡点。

Python达成： 使用pymoo库求解Pareto最优解集。

案例16: AI模型作为自主研究的“协作智能体”进行MOF性能调控

Python实现： 采用langchain框架集成MOF知识库与LLM API。