Developing and Understanding Thermally Conductive Polymers by Combining Molecular Simulation, Machine Learning and Experiment

通过结合分子模拟、机器学习和实验来开发和理解导热聚合物

基本信息

  • 批准号:
    2332270
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40.57万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-01-15 至 2026-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Bulk amorphous polymers are usually thermal insulators with thermal conductivity (TC) in the range of 0.1-0.5 W/mK. However, they are widely used in heat transfer applications such as plastic heat exchangers, electronic cooling, and electric vehicle thermal management due to their mechanical flexibility and low cost. However, the development of thermally conductive amorphous polymers has been exceptionally challenging due to the lack of physical guidance. This project aims to combine molecular simulations, machine learning (ML), and experiments to develop amorphous polymers with high TC (1.5 W/mK) and understand the underlying molecular features dictating thermal transport. The methodology developed and the physics understood from this project will significantly speed up and increase the success rate of developing high TC polymers. These new materials will contribute to tackling the challenges in many heat transfer applications. This project will also provide multi-disciplinary education opportunities to students and researchers from diverse backgrounds and scientific fields. The topics of this project will cultivate future workforce for the U.S. industry. The goal of this project is to significantly speed up the development of thermally conductive polymer and understand the underlying structure-property relationships governing amorphous polymer TC. To reach this goal, the objectives of this project are: (1) establish a standardized polymer database using high-throughput molecular dynamics (MD) simulations, complemented by data from existing database (e.g., PolyInfo) and open literature; (2) employ a unique ML training technique, semi-supervised framework for graph imbalanced regression (SGIR), to develop accurate surrogate models that map out structure-property relations for polymer chemistry, structure and TC, and use our Graph Rationalization with Environment-based Augmentations (GREA) technique to identify the influential molecular features impacting TC; (3) use the established model to predict ~100 polymers with varying TC and perform detailed MD simulations to calculate the TC to verify the prediction and understand the ML-identified structure-property relationship; (4) down-select 10 polymers with the expert opinion from collaborating polymer chemists on the synthesizability of the predicted polymers, synthesize them and measure their TC. The data-driven approach to be established in this project will provide an impactful example in the field concerning thermally conductive polymers. The established protocol can be followed to design materials with other desirable properties, impacting science and engineering fields beyond polymer or thermal transport.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
散装无定形聚合物通常是导热率(TC)的热绝缘子,范围为0.1-0.5 w/mk。但是,由于机械柔韧性和低成本,它们被广泛用于传热应用,例如塑料热交换器,电子冷却和电动汽车热管理。但是,由于缺乏身体指导,热导电无定形聚合物的发展非常具有挑战性。该项目旨在结合分子模拟,机器学习(ML)和实验,以开发具有高TC(1.5 w/mk)的无定形聚合物,并了解指示热传输的基本分子特征。开发的方法和从该项目中理解的物理学将显着加快加速,并提高开发高TC聚合物的成功率。这些新材料将有助于解决许多传热应用中的挑战。该项目还将为来自不同背景和科学领域的学生和研究人员提供多学科的教育机会。该项目的主题将为美国行业培养未来的劳动力。该项目的目的是显着加快导热聚合物的开发,并了解控制无定形聚合物TC的基本结构 - 质体关系。为了实现这一目标,该项目的目标是:(1)使用高通量分子动力学(MD)模拟建立标准化的聚合物数据库,并在现有数据库(例如PolyInfo)和开放文献的数据中得到补充; (2)采用独特的ML训练技术,用于图形不平衡回归(SGIR)的半监督框架(SGIR)来开发准确的替代模型,以绘制出用于聚合物化学,结构和TC的结构 - 特性关系,并将我们的图形合理化用于环境基于环境的增强技术(GREA)技术(GREA)技术,以识别有影响力的分子特征TC TC TC TC TC TC; (3)使用已建立的模型预测约100个具有不同TC的聚合物,并执行详细的MD模拟来计算TC以验证预测并了解ML识别的结构 - 托管关系; (4)下选择的10个聚合物,与聚合物化学家有关预测聚合物的合成性的专家意见,合成它们并测量其TC。该项目中要建立的数据驱动方法将在该领域提供有关导电聚合物的有影响力的例子。既定的协议可以遵循具有其他理想特性的设计材料,从而影响了聚合物或热运输之外的科学和工程领域。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响审查标准的评估来通过评估来支持的。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Tengfei Luo其他文献

Thermal transport in thermoelectrics from first-principles calculations
根据第一性原理计算热电学中的热传输
  • DOI:
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Keivan Esfarjani;Junichiro Shiorai;Takuma Shiga;Zhiting Tian;Tengfei Luo;Gang Chen
  • 通讯作者:
    Gang Chen
Beyond lotus: Plasma nanostructuring enables efficient energy and water conversion and use
超越莲花:等离子体纳米结构可实现能源和水的高效转换和利用
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2019.104125
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Yikuan Tian;Huachao Yang;Shenghao Wu;Jianhua Yan;Kefa Cen;Tengfei Luo;Guoping Xiong;Yang Hou;Zheng Bo;Kostya Ken Ostrikov
  • 通讯作者:
    Kostya Ken Ostrikov
Mixing and energy transfer in compressible Rayleigh-Taylor turbulence for initial isothermal stratification
初始等温分层的可压缩瑞利-泰勒湍流中的混合和能量传递
  • DOI:
    10.1103/physrevfluids.7.104608
  • 发表时间:
    2022-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Tengfei Luo;Jianchun Wang
  • 通讯作者:
    Jianchun Wang
Role of Hydrogen Bonds in Thermal Transport across Hard/Soft Material Interfaces
氢键在硬/软材料界面热传输中的作用
  • DOI:
    10.1021/acsami.6b12073
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Teng Zhang;Ashley R. Gans-Forres;Eungkyu Lee;Xueqiang Zhang;Chen Qu;Yunsong Pang;Fangyuan Sun;Tengfei Luo
  • 通讯作者:
    Tengfei Luo
Absence of KHDC3L mutations in Chinese patients with recurrent and sporadic hydatidiform moles.
中国复发性和散发性葡萄胎患者不存在 KHDC3L 突变。
  • DOI:
    10.1016/j.cancergen.2013.09.003
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Wei Zhao;Alanuer Muhetaer;Tengfei Luo;W. Zhou;Cheng Qi;Xiaoduan Chen;Xiaofei Zhang;Zhifen Zhang;C. Déry;R. Slim;J. Qian
  • 通讯作者:
    J. Qian

Tengfei Luo的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Tengfei Luo', 18)}}的其他基金

Collaborative Research: Material Simulation-driven Electrolyte Designs in Intermediate-temperature Na-K / S Batteries for Long-duration Energy Storage
合作研究:用于长期储能的中温Na-K / S电池中材料模拟驱动的电解质设计
  • 批准号:
    2341995
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
ISS: Plasmonic Bubble Enabled Nanoparticle Deposition under Micro-Gravity
ISS:微重力下等离子气泡实现纳米颗粒沉积
  • 批准号:
    2224307
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
US-Japan Joint Workshop on Thermal Transport, Materials Informatics and Quantum Computing
美日热传输、材料信息学和量子计算联合研讨会
  • 批准号:
    2124850
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Discover and Understand Microporous Polymers for Size-sieving Separation Membranes using Active Learning
使用主动学习发现和了解用于尺寸筛分分离膜的微孔聚合物
  • 批准号:
    2102592
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
EAGER: Collaborative Research: Dynamics of Nanoparticles in Light-Excited Supercavitation
EAGER:合作研究:光激发超空化中纳米粒子的动力学
  • 批准号:
    2040565
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: Using molecular functionalization to tune nanoscale interfacial energy and momentum transport
合作研究:利用分子功能化来调节纳米级界面能量和动量传输
  • 批准号:
    2001079
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: Chemically Modified, Plasma-Nanoengineered Graphene Nanopetals for Spontaneous, Self-Powered and Efficient Oil Contamination Remediation
合作研究:化学改性、等离子体纳米工程石墨烯纳米花瓣用于自发、自供电和高效的石油污染修复
  • 批准号:
    1949910
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: Understanding the Synergistic Effect of Graphene Plasmonics and Nanoscale Spatial Confinement on Solar-Driven Water Phase Change
合作研究:了解石墨烯等离子体和纳米尺度空间约束对太阳能驱动水相变的协同效应
  • 批准号:
    1937923
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Highly Sensitive Multiplexed Nanocone Array for Point-of-Care Pan-Cancer Screening
用于护理点泛癌症筛查的高灵敏度多重纳米锥阵列
  • 批准号:
    1931850
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Thermal Evaporation around Optically-Excited Functionalized Nanoparticles
光激发功能化纳米颗粒周围的热蒸发
  • 批准号:
    1706039
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

多应力条件下车载三元锂电池组释热温变机理解析、状态估算与控制优化
  • 批准号:
    52367021
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    31 万元
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
重构海洋热含量和海气通量长期变化并应用于理解海洋的气候效应
  • 批准号:
    42261134536
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    105.00 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
基于汽-液界面处单分子及分子簇动态的相变换热理解与应用
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    60 万元
  • 项目类别:
    面上项目
热激转录因子HsfA4c调控伴矿景天镉耐受性的机理解析
  • 批准号:
    31872168
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    60.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
基于多帧时空信息协同理解的自然感彩色红外成像方法研究
  • 批准号:
    61775058
  • 批准年份:
    2017
  • 资助金额:
    16.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

GOALI: Understanding Tribological Properties of Thermally-Synthesized Carbon
目标:了解热合成碳的摩擦学特性
  • 批准号:
    2315343
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Understanding Essential Protein Dynamics through the Anharmonic Properties of Thermally Excited Vibrations
通过热激发振动的非简谐特性了解基本蛋白质动力学
  • 批准号:
    10566333
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
ECLIPSE: CAS-Climate: Understanding the Role of Thermally-Driven Processes in Pattern Formation and Droplet Emission in DC Glows with Applications to Water Treatment
ECLIPSE:CAS-气候:了解热驱动过程在直流辉光中图案形成和液滴发射中的作用及其在水处理中的应用
  • 批准号:
    2206039
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF Postdoctoral Fellowship in Biology FY 2021: Understanding the genetic and physiologic adaptations to thermally challenging environments in Chinook Salmon.
2021 财年 NSF 生物学博士后奖学金:了解奇努克鲑鱼对高温环境的遗传和生理适应。
  • 批准号:
    2109355
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Fellowship Award
New Quaternary MAX Phase Thin Films: Understanding the Thermally Induced Microstructural Evolutions and Reaction Mechanisms in Nanostructured Multilayers via Experimental Combinatorial Study
新型四元 MAX 相薄膜:通过实验组合研究了解纳米结构多层膜中的热致微观结构演化和反应机制
  • 批准号:
    464878149
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 40.57万
  • 项目类别:
    Research Grants
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了